ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Ощипок

Ігор Миколайович

УДК 664.692.040.2.086.4

Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Львівському національному університеті ветеринарної медицини та біотехнолгій імені С.З.Гжицького

Науковий консультант: доктор біологічних наук, академік УААН, професор, заслужений діяч науки і техніки України Кравців Роман Йосипович, ректор, завідувач кафедри ветеринарно-санітарної і радіологічної експертизи, стандартизації та сертифікації, Львівський національний університет ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Гжицького

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Гладушняк Олександр Карпович, завідувач кафедри технологічного обладнання харчових виробництв, Одеська національна академія харчових технологій.

доктор технічних наук , професор, Соколенко Анатолій Іванович, завідувач кафедри технічної механіки і пакувальної техніки, Національний університет харчових технологій.

доктор технічних наук, професор, Поперечний Анатолій Микитович, професор кафедри обладнання харчових виробництв, Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського

Захист відбудеться 03.07.2008 р. о __14_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 при Одеській національній академії харчових технологій, за адресою: вул. Канатна, 112, м. Одеса, 65039.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії харчових технологій, за адресою: вул. Канатна, 112, м. Одеса, 65039.

Автореферат розісланий 30.05.2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор К.Г. Іоргачова

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основними напрямками удосконалення робіт на первинній переробці забійних тварин є розробка і впровадження технологічних процесів, які зберігають енергетичні і матеріальні ресурси, дозволяють застосовувати прогресивні методи виробництва та управління з використанням математичного моделювання і засобів обчислювальної техніки. Діючі технології в цехах первинної переробки тварин не відповідають сучасним вимогам гігієни, ергономіки, є енергозатратними і матеріаломісткими та допускають значні втрати сировини. Ефективній їх роботі сприятиме модернізація виробництва. Для цього необхідно детально проаналізувати всі операції, щоб точно зрозуміти, що відбувається на кожній стадії виробництва. Доводиться знати, що трапляється з найдрібнішим шматком м’ясної сировини в будь-який момент виробництва і скільки товарної продукції можна з цього отримати. Розширення і модернізація виробництва забезпечить необхідний простір, гігієнічні вимоги, ергономіку, а крім цього, забезпечить максимальну продуктивність. Технологічний процес, проведений з максимальною продуктивністю та з мінімальними трудовими і енергетичними затратами, є найбільш ефективний. Удосконалення технологічних процесів первинної переробки тварин на сучасному етапі вимагає розробки нових машин і обладнання. Це стосується технологічних операцій: знімання шкури, транспортування, завантажувально-розвантажувальних робіт тощо. Утворення технологічних процесів за модульним принципом, до складу яких увійдуть маніпулятори, ефективні системи керування, сучасні методи планування виробництва, нададуть можливість створити науково обґрунтовані прогресивні технологічні процеси первинної переробки великої рогатої худоби (ВРХ). Основою забезпечення цієї ефективності є розробка транспортної технології, яка включає переміщення сировини і субпродуктів у спеціальних ємностях на відповідних робочих органах та створення окремої транспортної мережі.

Наукове обґрунтування впровадження функціональних робочих модулів у технологічні процеси первинної переробки тварин та на їх основі створення умов для застосування маніпуляторних систем, ефективного керування процесами виробництва і контролю якості роботи та аналізу перебігу технологічних циклів з метою раціонального використання робочого часу, сировини, матеріалів, розрахунку продуктивності машин з урахуванням енергетичних затрат – це проблеми, що є визначальними в даній роботі і становлять теоретичне та методологічне підґрунтя наукової концепції досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові до-слідження дисертаційної роботи проводилися з 1994 по 2005 рік в рамках науково-дослідних робіт кафедри загальнотехнічних дисциплін Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Ґжицького «Розробка, удосконалення і автоматизація енергоекологозберігаючих технологічних процесів, матеріалів та вузлів харчової і переробної промисловості» (№ держреєстрації 0102U001340 і 0102U001322) та кафедри технології м’яса, м’ясних та олійно-жирових виробів «Розробка нових технологій виробництва м’ясних виробів та способів скорочення втрат м’яса, підвищення його якості і технологічних процесів на основі функціональних робочих модулів» з 2005 року (№ держреєстрації 01070002433).

Крім того, робота тематично пов’язана із загальнодержавною програмою покращення функціонування переробних галузей України, а також з Програмою Кабінету Міністрів «Україна 2010» (проект 4 «Технологічне та технічне оновлення виробництва»).

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є наукове обґрунтування створення системи машин для удосконалення технологій первинної переробки забійних тварин шляхом розробки автоматизованих поточних ліній на основі функціональних робочих модулів.

Для досягнення даної мети були поставлені такі завдання досліджень:

- дослідити основні технологічні процеси первинної переробки тварин;

- теоретично та експериментально дослідити процеси знімання шкур та обладнання, яке при цьому застосовують, а також запропонувати заходи щодо удосконалення цього процесу;

- теоретично та експериментально дослідити технологічний потік отриманої сировини і субпродуктів від забою тварин та запропонувати нові підходи щодо їх транспортування;

- теоретично та експериментально дослідити механізм розвантаження вантажів (зокрема морожених напівтуш худоби) після їх доставки транспортом на переробні підприємства та рекомендувати багатофункціональний пристрій для цього;

- дати наукове обґрунтування заміни, традиційних способів виробництва системою машин з функціональними робочими модулями;

- обґрунтувати переваги застосування функціональних робочих модулів на первинній переробці тварин, до складу яких входять маніпулятори, транспортні системи та інформаційні засоби;

- обгрунтувати нові способи інтенсифікації виробництва на первинній переробці забійних тварин з застосуванням автоматизованих поточних ліній;

- розробити принципи роботи автоматизованих поточних ліній первинної переробки тварин;

- побудувати математичну модель технологічного процесу функціонування цеху первинної переробки тварин щодо забезпечення сировиною, способів виробництва і контролю якості;

- дати наукове обгрунтування основ розрахунку продуктивності машин з урахуванням енергоємності технологічних операцій;

- розробити конструктивні схеми прогресивного обладнання для сортування напівтуш худоби з мікропроцесорною системою керування сортуванням;

- організувати комплекс заходів щодо впровадження результатів роботи в практику підприємств з переробки м’яса;

- дати оцінку економічного та соціального ефектів практичного впровадження результатів роботи.

Об’єкт дослідження – процеси первинної переробки забійних тварин.

Предмет дослідження – технологічний потік та обладнання для знімання шкур, транспортування і сортування сировини та маніпулятори як елементи функціональних робочих модулів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження, узагальнені методи аналізу, планування і проведення експериментів; математичне моделювання, виявлення оптимальних параметрів процесів, статистичні методи обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті проведених досліджень вирішені наступні науково-прикладні проблеми: розроблена операторна модель первинної переробки забійних тварин, обґрунтована необхідність формування систем машин за блоково - модульним принципом на основі яких комплектуються автоматизовані поточні лінії цехів первинної переробки забійних тварин. На основі системного аналізу запропоновані нові підходи в організації виробництва цехів, що розглядаються. Встановлені раціональні режими технологічних процесів на основі узагальненої методології математичного моделювання, що забезпечує зниження енергетичних і матеріальних затрат, підвищення продуктивності та якості виробництва.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень вперше:

- досліджена структурна тривалість виробничих циклів на первинній переробці тварин для оцінки ефективності застосування обладнання і організації раціонального технологічного потоку;

- розроблені наукові основи процесу формування обладнання, з використанням функціональних робочих модулів, до складу яких входять маніпулятори, системи керування і інформації та утворення на ньому технологічних ліній (у тому числі гнучких виробничих систем) цеху первинної переробки тварин;

- класифіковані пристрої для знімання шкури худоби;

- досліджений напружений стан у шкурах при їх зніманні та визначені їх основні механічні характеристики;

- обґрунтовані та оптимізовані схеми руху робочого органу в цеху первинної переробки тварин із застосуванням нових систем керування;

- обґрунтовані та оптимізовані за мінімальним тягловим зусиллям способи роботи багатофункціонального пристрою розвантаження вантажів м’ясних виробництв (наприклад, напівтуш ВРХ) та вивчено його динаміку;

- доведена доцільність застосування маніпуляторів на первинній переробці тварин, проведена їх класифікація, розроблена континуальна математична модель розрахунку та метод оптимізації конструкції за заданими технологічними умовами, оптимізовані траєкторії руху робочого органу;

- обґрунтовані принципи і методи кількісної та якісної оцінок технологічного процесу і його елементів; наведені розрахунки продуктивності машин з урахуванням енергоємності технологічних операцій;

Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів проведених теоретичних та експериментальних досліджень:

- розроблено пристрій для знімання шкур конерного типу та обґрунтовані його основні параметри;

- розроблено робочий орган транспортування вантажів адресної дії та обґрунтовано його основні параметри;

- розроблено багатофункціональний пристрій для розвантаження вантажів м’ясних виробництв (наприклад, напівтуш ВРХ) та обґрунтовано його параметри;

- запропоновано методику кількісної оцінки процесів багатоцільових композиційних моделей технологічних потоків первинної переробки забійних тварин з організацією виробництва за схемою гнучкої виробничої системи;

- розроблено систему компонування обладнання за модульно-блоковою схемою організації виробництва на основі функціональних робочих модулів, до складу яких входять: обладнання для переробки, маніпулятори, транспортні системи і засоби інформації та контролю.

Наукові результати, одержані при виконанні дисертаційної роботи, можуть бути рекомендовані для використання у навчальному процесі вищих навчальних закладів 3 – 4 рівня акредитації, що здійснюють підготовку спеціалістів у галузі розробки та експлуатації обладнання харчових виробництв. Окремі наукові результати увійшли до навчального посібника «Автоматизація виробничих процесів», а також в науково-дослідних і проектно-конструкторських установах м’ясного машинобудування.

Зразки обладнання за результатами дисертаційної роботи впроваджено на: «УкрНДІ м’ясомолпром», ВАТ ШП «Світанок», УВСП «Галев-Ресурс», УДВ МН «Дружба», «Торговий центр «Юніверсум», СУП ТзОВ «М’ясовіта», ООО «Донецький м’ясопереробний комбінат». Отриманий економічний ефект від впровадження становить 231,067 тис. грн. Сумарний розрахунковий економічний ефект складає 303,691 тис. грн на одиницю обладнання.

Новизна практичних розробок захищена патентом України на винахід: № 75422, деклараційними патентами України на винахід № 33372; № 34005; № 35060; № 35443; № 41660; № 43010; № 48520; № 62231; № 67087; № 67127, патентами на корисну модель № 18270; № 18668.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці основної концепції дисерта-ційної роботи, а також в постановці основної мети і задач дослідження. Всі теоре-тичні та експериментальні дослідження були виконані особисто автором. Автору належить аналіз та узагальнення літературних даних, а також отриманих ним ре-зультатів у процесі виконання дисертаційної роботи. Основні результати та висновки обговорювались з науковим консультантом д.б.н., акад. УААН, проф. Кравцівим Р.Й.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та схвалені на: Науковій конференції, присвяченій 140 річчю заснування Львівського державного сільськогосподарського інституту, «Проблеми агропромислового комплексу України: стан і перспективи» (Дубляни, 1996); Ukrainian-Austrian symposium «Agriculture: Science and Practice» (Львів, 1996); Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми біології, ветеринарної медицини, зооінженерії та технологій продуктів тваринництва» (Львів, 1997); «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій» (Львів, 1998); Міжнародній науково-практичній конференції «Стан, проблеми та перспективи сучасної аграрної науки і практики», присвяченій 100-річчю від дня народження С.З.Ґжицького (Львів, 2000); «Сучасні інформаційні та

енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини» (м. Вінниця, 2000);

«Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини» (м. Чернігів, 2000); Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених та спеціалістів «Молоді вчені у вирішенні проблем аграрної науки і практики» (Львів, 2003); Міжнародній науковій конференції «Актуальні проблеми розвитку тваринництва» (Львів, 2003); Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених та спеціалістів «Молоді вчені у вирішенні проблем аграрної науки і практики» (Львів, 2004); Міжнародній науковій конференції «Актуальні проблеми розвитку тваринництва, ветеринарної медицини, харчових технологій, економіки та освіти», присвяченій 220-річчю академії (Львів, 2004); Міжнародній науковій конференції «Інноваційний розвиток сучасного аграрного виробництва», присвяченій 100-річчю від дня народження Д.Я.Василенка (Львів, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції «Стан, проблеми та перспективи сучасної аграрної науки і практики», присвяченій 105-річчю від дня народження С.З.Ґжицького (Львів, 2005); Міжнародному науково-практичному семінарі «Проблеми загальної ветеринарної профілактики (гігієна та санітарія, екологія, добробут тварин, етологія)» (Львів, 2006); ХІV Міжнародній науково-практичній конференції. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я, присвяченій 100-річчю від дня народження М.Ф.Семка (Харків, 2006); ХІ Міжнародній науковій конференції «Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних виробництв» (Одеса, 2006); Міжнародній науково-технічній конференції «Стан і перспективи розвитку сучасних технологій і обладнання переробних і харчових виробництв» (Вінниця, 2006); Міжнародній науково-практичній конференції «Молоді вчені у вирішенні проблем аграрної науки і практики» (Львів, 2006); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Харчові технологій-2006» (Одеса, 2006); Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасність і майбутнє аграрної науки та виробництва», присвяченій 50-річчю від дня заснування факультету заочної освіти (Львів, 2006). ІІІ міжнародній науково-практичній конференції «Харчові технології 2007» 105 років з дня заснування ОНАХТ(Одеса, 2007).

Публікації. За результатами поданих в дисертаційній роботі досліджень опубліковано 57 наукових праць, з них 24 у фахових виданнях, в тому числі 1 патент на винахід, 10 деклараційних патентів на винахід, 2 патенти на корисну модель, а також тези 6 доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 277 найменувань (24 стор.) та 7 додатків (45 стор.). Робота викладена на 330 сторінках основного тексту, що містять 71 рисунок (25 стор.) та 12 таблиць (5 стор.).

Основний зміст роботи

У вступі викладена актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, а також описані об'єкти і методи досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення та особистий внесок автора, представлена апробація дисертаційної роботи та її структура, подана кількість публікацій.

У першому розділі «Сучасний стан та проблеми функціонування цехів первинної переробки тварин» зроблена загальна характеристика стану виробництва на первинній переробці забійних тварин. Проаналізовано виробничий та технологічних процес, дана класифікація технологічних операцій та вимоги до них. Встановлено, що рівень механізації і автоматизації виробництва не відповідає сучасним вимогам. Проаналізовані роботи Аверянова І.О., Большакова О.В., Гармаша І.І., Генералова Н.Ф., Гноєвого А.В., Івашова В.І., Панфілова В.А., Пелєєва О.І., Уракова О.А., в яких відзначено необхідність переходу до комплексної механізації та автоматизації технологічних процесів та систем керування. Відзначено потребу створення на м’ясопереробних виробництвах систем машин, які чітко повинні відповідати своєму призначенню для певних видів технологічних процесів. У сучасних процесах переробки худоби необхідно забезпечувати швидкий ріст потужності окремого технологічного устаткування. Проте, в цих роботах немає наукового напрямку, який би розкривав закономірності та об’єднання окремих технологічних операцій в органічне ціле. Просте поєднання окремих машин і апаратів у лінію, яка призначена для забезпечення технологічного потоку, малоефективне, оскільки при цьому виникає невдало організована сумарна система процесів. Це приводить до зниження продуктивності та низького коефіцієнта використання технологічного обладнання через значні простої окремих машин. Не розкриті закономірності будови, функціонування і розвитку апаратурного оформлення конкретного технологічного процесу. Не вироблені вимоги до якості окремих операцій, а, отже, і до конструкцій машин та апаратів, призначених для роботи в потокових лініях. Тільки при визначенні цих показників можливе формування технологічної лінії на блоково-модульній основі. Не розглядалися питання застосування маніпуляторів у потокових лініях, побудованих за агрегатно-модульним принципом. У роботах Івашова В.І., Клименка М.М., Пелєєва О.І., Салтикова А.Н. досліджувались питання конструювання технологічного обладнання знімання шкур худоби, але недостатньо вивчені механічні характеристики шкур свіжозабитої худоби. На сучасному етапі виникають питання, при яких необхідно оптимізувати конструкції обладнання для знімання шкур, пропонувати нові принципи його дії. Значну увагу необхідно приділяти обладнанню для транспортних, завантажувальних і розвантажувальних операцій сортування напівтуш.

У другому розділі «Наукове обґрунтування та технологічна реалізація пристроїв знімання шкур» проведено аналіз пристроїв для знімання шкур. Вперше дана їх класифікація (рис. 1).

Визначили силу опору на похилій прямолінійній ділянці, розміщеній під кутом нахилу в з урахуванням коефіцієнта тертя шкур об жолоб:

(1)

де L – довжина прямолінійної ділянки ,м; L? – довжина горизонтальної проекції прямолінійної ділянки, м; H? – довжина вертикальної проекції прямолінійної ділянки, м; qr - навантаження від зусилля знімання шкури, Н/м; q0 – сила ваги шкури і вантажонесучого елемента, Н/м; щ – коефіцієнт тертя.

Коефіцієнт тертя буде рівний при навантаженні на одиницю довжини дна і стінки жолоба q?ж:

(2)

де qж – навантаження на одиницю довжини дна і стінки жолоба, Н/м; f1 – коефіцієнт тертя ковзання шкури на напрямних (жолоба); f2 – коефіцієнт тертя тяглового елемента на напрямних.

Експериментально визначили значення коефіцієнтів опору шкур об жолоб f1=0,34, f2=0,22. Похибка становить 4 %.

Пристрій дозволяє враховувати вік, стать і вгодованість тварин, тому що сприяє підбору параметрів сегментів кривих залежно від руху упора, на якому закріплені фіксуючі ланцюги з шкурою, та направляючої. Якщо задати рух упора на тягловому елементі і направляючої рівняннями в полярній системі координат у вигляді:

(3)

де – радіус кривизни, м; – кут повороту; b,k – постійні;

ця система рівнянь (3) розглядається як параметрична, параметром якої буде час. Щоб отримати рівняння траєкторії у явному вигляді, виключаємо з заданих рівнянь руху час. Тоді отримаємо:

(4)

Дане рівняння (4) описує плоску криву – Архімедова спіраль.

При русі упора пристрою згідно з рівнянням:

(5)

і виключивши з заданих рівнянь руху час та перемноживши їх, отримаємо:

(6)

Це рівняння гіперболічної спіралі.

При русі упора пристрою згідно з рівнянням:

(7)

і, виключивши з рівнянь руху час, запишемо:

(8)

Отримане рівняння кривої відповідає рівнянню логарифмічної спіралі.

Для сегментів кривих (4), (6) та (8) визначені радіус кривизни, кути відриву шкури, швидкості та прискорення руху упора.

Значний інтерес з практичної точки зору викликають напруження, які виникають у шкурах під час знімання на обладнанні різної конструкції з метою зменшення розривів, виривів та інших дефектів. Це суттєво впливає на якість отриманих шкур.

Розглянуто плоский напружений стан шкури, в якому виділено призму основою якої є прямокутний трикутник abc (рис. 2а). До виділеної призми прикладені ті ж напруження, які діють у шкурі. Оскільки всі розміри виділеної призми нескінченно малі, дотичні і нормальні напруження на її бокових гранях будемо вважати розподіленими рівномірно і рівними зусиллям, які проходять через вибране січення, паралельно до її бокових граней.

Аналізуючи запропоновану модель напруженого стану шкури під час її знімання, можна визначити величину напружень. Наведені розрахунки плоского напруженого стану, який має місце в шкурах під час їх знімання.

Напруження визначаємо за формулами:

(9)

(10)

(11)

На основі розрахунків одержано графік залежності напружень від кута відриву шкури і зусиль знімання та розміру її поперечного перерізу (рис. 3).

Проведена серія експериментів з визначення механічних характеристик шкур. З цією метою використовувались спеціальні зразки: шириною – 30 мм, довжиною – 250 мм, товщина кожного зразка замірялась окремо і становила від 2,8 до 4,3 мм (рис. 4). Зразки шкур відбирались з хребтової, бокової та черевних ділянок. Для визначення величин сил розривання і попереднього деформування шкур використовувалась розривна машина з автоматичною фіксацією деформацій та сил, діючих під час розтягування шкур. Зразки шкур у процесі досліджень фіксувались в спеціальних затискачах (рис. 5), а реєструючий пристрій машини автоматично викреслював графік залежності між нормальною силою в поперечних перерізах зразків шкур і відносною деформацією е. На рис. 6 показана діаграма розтягу шкури товщиною 3,9 мм. Доки розтягуючі напруження у не досягнуть деякої величини умш, діаграма являє собою деяку криву лінію.

Після завершення стадії деформування отримані діаграми руйнувань шкур мають вигляд, характерний для крихких матеріалів. Колагенові волокна на межах зруйнованих ділянок шкур мають орієнтацію, паралельну напрямку діючих сил розриву. Тут спостерігається аналогія з деформуванням композиційних матеріалів. З досліджень встановлено, що шкури добре працюють на розтяг, мають значну поздовжню деформацію. У результаті руйнування утворюється косий розрив, направлений під кутом 50 – 65є (рис. 7) до осі зразка, тобто практично паралельно площинам з максимальними дотичними напруженнями.

На основі проведених експериментальних досліджень отримали значення напруження в бокових і хребтових ділянках. Дані величин напруження, відносної поздовжньої деформації і модуля пружності наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Значення механічних характеристик зразків з бокових ділянок шкур

Нормальне напруження у, МПа | 19,14 | 24,29 | 27,68 | 28,68

Відносна поздовжня деформація е | 0,82 | 0,90 | 1,00 | 1,24

Модуль пружності, Е, МПа | 23,34 | 26,99 | 27,68 | 15,06

Ці результати покладені в основу створення економічно ефективного обладнання знімання шкур, яке відповідає санітарно-гігієнічним вимогам до процесів знімання шкур.

Розрахунки відповідності показників нормального напруження, відносної поздовжньої деформації і модуля пружності наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Статистичні показники при визначенні напруження

відносної поздовжньої деформації модуля пружності

Статистичні показники | Середнє арифме-

тичне, | Емпірич-

на диспер-

сія, S2 | Вибірко-

вий стандарт, S | Коефі-

цієнт варіації, Vт,

% | Середня квадра-

тична помилка середн. значення, S | Показник точності середнього значення,

ж, % | Помилка середн. квадра-

тичного відхилен-

ня,

Ss

Назва

Нормальні напруження, у, МПа | 22,45 | 18,63 | 4,31 | 19,23 | 2,16 | 9,61 | 1,52

Відносна повздовжня деформація, е | 0,990 | 0,034 | 0,184 | 18,600 | 0,092 | 9,300 | 0,065

Модуль пружності, Е, МПа | 23,27 | 30,71 | 5,54 | 23,81 | 2,77 | 11,90 | 1,96

На основі проведених експериментальних даних встановлено, що нормальні напруження у свіжозабитої великої рогатої худоби (ВРХ) в середньому становлять 22,45 МПа, середня відносна поздовжня деформація е – 0,99, модуль пружності Е – 23,27 МПа. Ці дані необхідно використовувати при визначенні напружень в шкурах і розрахунку нових і модернізації існуючих пристроїв для знімання шкур.

Розроблений пристрій для знімання шкур ВРХ і свиней (рис.8), описана його будова та принцип роботи. Пристрій дозволяє гнучко вибирати режим знімання шкури. Процес проходить більш рівно, «м’яко», без «дертя», «рвання», різких змін зусиль і напрямів знімання шкури.

Випробування цього зразка показали його придатність до умов, існуючих на бойнях. Наведено методику його розрахунку зі змінним кутом відділення шкури шляхом розриву підшкірного шару, визначені його проектні параметри: тяглове зусилля, кН – 29,4; швидкість руху ланцюга, м/с – 0,2; потужність електродвигуна, кВт – 6,38. У розрахунку врахований коефіцієнт опору руху шкури.

У третьому розділі «Наукове обґрунтування та технічна реалізація пристрою транспортування вантажів цеху первинної переробки тварин» залежно від прийнятої технології нами розглянуті наступні основні схеми переміщення вантажів (рис. 9).

При застосуванні схеми а (рис. 9а), середня відстань транспортування буде:

(12)

де - середня відстань транспортування вантажів з паралельним розміщенням шляхів, м; a і b –ширина і довжина цеху, м; -елементарна вантажна робота, кг м; q – кількість сировини на 1 м2 площі цеху, кг.

(13)

де х – відстань від осі цеху до елементарної площини, м.

Вантажна робота , яка затрачається на транспортування сировини з площі цеху mon, складе (рис. 16б):

(14)

або після підстановки значень lеср і dS отримаємо:

(15)

Аналогічно визначиться вантажна робота R2 при обслуговуванні площі цеху fon:

(16)

Середня відстань переміщення вантажів у цеху з діагональним розміщенням транспортних шляхів буде:

(17)

Підставляючи в рівняння (17) значення R1 i R2 після перетворення отримаємо:

(18)

Для кращого використання площ цеху може бути застосована віяльна (гілкова) схема. Середня відстань транспортування для віяльної схеми складе:

(19)

Оптимальна відстань між шляхами переміщення буде такою, при якій затрати праці на переміщення, будівництво, експлуатацію, монтаж обладнання вздовж шляху руху, віднесені до 1 тонни переміщувальних вантажів, будуть мінімальними.

Загалом, середню відстань переміщення вантажів можна визначити за отриманою нами емпірично формулою:

(20)

де a і b – відповідно, ширина і довжина цеху, м; - середня відстань транспортування при вибраній схемі розміщення транспортних шляхів, м; k1, k2 – коефіцієнти, які залежать від схем розміщення транспортних шляхів; k3 – коефіцієнт, який враховує збільшення відстані транспортування (k3 = 1,05 – 1,1)

Сумарні затрати можна виразити рівнянням:

Pc =Pзп + Pзм , (21)

де Рс – сумарні затрати на прокладання шляху люд. дн.; Рзп – затрати праці на переміщення 1 тонни вантажів, люд. дн.; Рзм – затрати праці на монтаж, демонтаж обладнання, люд. дн.

Затрати праці на переміщення 1 т вантажів можемо визначити:

(22)

де lср – середня відстань переміщення, м; vср – середня швидкість руху робочого органа, м/с; tз – час завантаження робочого органа, с; nт – число робітників, які беруть участь у завантаженні робочого органа; Тзм – час зміни, год (без врахування підготовчо-заключного часу); Мв – розрахункова вантажонесучість робочого органа, т; ц – коефіцієнт використання вантажонесучості робочого органа.

Затрати праці на монтаж обладнання визначимо:

(23)

де Z – затрати праці на монтаж обладнання, люд. дн.

хо – оптимальна відстань між шляхами транспортування, м.

Тоді сумарні затрати праці будуть:

(24)

Для визначення оптимальної відстані між шляхами транспортування вантажів продиференціюємо рівняння (24) за змінною х і першу похідну прирівняємо до нуля:

(25)

Розв’язуючи рівняння (25) відносно ху , отримаємо:

(26)

Узагальнені і проаналізовані вантажі, які транспортуються в цехах первинної переробки тварин на підприємстві «Торговий центр «Юніверсум», проведена статистична обробка даних. Отримані результати є основою розробки і створення робочого органа для транспортування вантажів згідно з прокладеною транспортною мережею. Випробування окремих вузлів цієї машини показали її придатність для застосування на виробництві.

Розроблена система автоматизованого керування рухом робочого органа транспортної мережі (рис. 10). Сюди входить робочий орган транспортної мережі 1, блок пам'яті робочого органа 2, пульт керування системою 3, програмований мікропроцесор пульта керування 4, розвантажувальний перекидач 5 (рис. 11), який встановлений біля обладнання або технологічних ліній, завантаження яких проводиться з завантажувальних пристроїв 6 (рис. 12, 13, 14) продукцією (готовими виробами, напівфабрикатами, сировиною і субпродуктами). На рис. 12, 13, 14 зображені робочі органи і навантажувально-розвантажувальні пости.

Розвантажувальні перекидачі 5 обладнані зні-мальним пристроєм 7 з його приводом 8 і рухом в прямому напрямку до робочого органу та розмикаючого пристрою перекидача 9 з приводом 10 і рухом у поперечному напрямку на розмикання фіксуючого пристрою робочого органа. Ця система сприяє створенню безперервних технологій виробництва, забезпечує облік кількості перевезень, маршрутів перевезень, перевезених вантажів за кількістю і асортиментом. Запропонований робочий орган з системою автоматичного керування використовується для максимального завантаження обладнання, збільшення ефективності роботи, скорочення ручної праці.

Робочий орган транспортування сировини в цеху первинної переробки тварин зображений на рис. 15. Його робота здійснюється як в автоматизованому режимі, так і при керуванні оператором.

У четвертому розділі «Наукове обґрунтування та технічна реалізація багатофункціонального розвантажувального пристрою цеху первинної переробки тварин» з метою визначення і оптимізації енергетичних втрат проведений аналіз діючих зусиль, що мають місце при розвантаженні.

За розробленою розрахунковою схемою (рис. 16) визначили мінімальне тяглове зусилля. Оскільки горизонтальна складова нахиленої сили S cos дорівнює граничному значенню сили тертя спокою Т; геометрично ця залежність виражається у збігу лінії дії рівнодіючої сили Р і S з бічною стороною трикутника тертя, розміщеного нижче від площини дотику.

Визначені параметри гідравлічних амортизаторів залежно від приведеної сили опору та швидкості переміщення осі сприймаючого ролика відносно рами пристрою. Виникаючі в амортизаторі сили опору не залежать від переміщення ролика. Побудова розрахункової характеристики проводиться заданням швидкості руху штока і розрахунком відповідних сил опору амортизатора (рис. 17).

Дослідження роботи даного пристрою у виробничих умовах показало його ефективність при підтягуванні напівтуш і при підніманні вантажів.

Наведено результати системного дослідження багатофункціонального пристрою переміщення вантажів зокрема напівтуш худоби. На рис 18. зображений загальний вид пристрою

Це сприяє скороченню кількості робітників вдвоє і часу розвантаження до 45 с на одну напівтушу, транспортних засобів, скоротить простій під розвантаженням втроє, збільшиться вантажообіг транспортних засобів. Фактичне зусилля розвантаження пристрою становить 2850 Н, швидкість розвантаження 0,08 м/с. З такими параметрами пристрій може підтягувати вантажі до 500 кг і піднімати до 285 кг. Пристрій виконано багатофункціональним, тобто, залежно від потреб виробництва, він придатний для транспортування контейнерів з відсортованими напівтушами. Розраховані його основні конструктивні елементи.

У п’ятому розділі «Наукові основи застосування маніпуляторів під час виконання технологічних процесів первинної переробки тварин» системно вивчено теоретичні передумови застосування маніпуляторів на первинній переробці забійних тварин. Розглянуто динаміку маніпулятора на основі методів Лагранжа-Ейлера і кінетостатики. Визначені кінетична і потенціальна енергії, сили інерції, їх моменти, активні сили маніпулятора. Наведено рівняння руху маніпулятора. Проаналізований рух на основі матриць повороту. Встановлено ефективність у керуванні його роботою під час виконання технологічних операцій.

У процесі маніпулювання найбільший інтерес становить характер взаємодії між робочим органом МС і об’єктом виробництва. Тому основним завданням є опис руху робочого органа МС в ділянці робочої зони, під час перенесення об’єкта з однієї її точки в другу. Як вихідну точку прийняли точку L робочого органа МС, розміщену на його осі симетрії. Стан МС визначається при цьому положенням руки, а відтак, вектором r, який виходить з основи закріплення МС до точки L робочого органа. Вектор r і положення рухомих координат встановлюються положенням осей рухомих ланок МС (рис. 19). Встановлюючи відповідність у часі між вказаними системами координат, отримаємо математичний опис руху системи. Описано зміст маніпуляційних дій на переміщені туші ВРХ, на знімання шкури.

Вектор визначимо так:

(30)

де б, в, j, – координати руки, b1 – відстань від землі до точки захоплення предмету праці; l1, l2 – постійні складові руки (лінійні розміри ланок руки у вихідному положенні); x/ ,y/,z/ - змінні координати руки.

Так, в структурі МС у сферичній (суцільній) системі координат траєкторія (крива К) визначається рівнянням:

(31)

при ,

де R – виліт руки у вихідному положенні, ?R – висування руки, y,z – вихідні кутові положення руки у відповідних координатах, ?y, ?z – кутові положення руки у відповідних координатах.

Тривалість циклу подавання туші маніпулятором на знімання шкури можна записати так:

Тц =Т1+Т2+Т3+Т4 , (32)

де Т1 – тривалість захоплення туші робочим органом МС, с; Т2 – тривалість перенесення туші до установки для знімання шкур, с; Т3 – тривалість орієнтування і фіксації туші, с; Т4 – тривалість розмикання робочого органа МС, с.

Пошук конфігурацій траєкторій руху, на яких досягається екстремум залежності (33), зводиться до розв’язку нелінійних диференціальних рівнянь другого порядку. Цей екстремум досягається на радіальних прямих лініях, які проходять через вісь опорного шарніра стріли. Оптимальна траєкторія руху точки L захоплюючого пристрою визначається за мінімум часу по сферичній поверхні (31), яка реалізується послідовним поворотом колони і підніманням чи опусканням стріли. Структура шуканої траєкторії перенесення робочого органа може бути такою:

1. Сума відрізків кіл на сфері:

(zL-H)2+y2L+xL2=R2L , (34)

в тому випадку, коли

, (35)

де RL1 – відстань від осі опорного шарніра стріли до точки L1(xL1,yL1,zL1), м;

RL2 – віддаль від осі опорного шарніра стріли до точки L2(xL2,yL2,zL2), м.

2. Сума r відрізків кіл на сферах радіусів RL1, RL2 і відрізка радіальної прямої лінії між сферами радіусів RL1, RL2, в тому разі коли RL1?RL2.

Кількісний і якісний аналіз впливу механічних характеристик матеріалів, що використовуються для виготовлення маніпуляційних систем на їх матеріалоємність при заданому рівні надійності визначали, використовуючи математичну модель оптимального проектування (ОП). Найважливіший етап задачі – вибір і обґрунтування показників ефективності. У нашому випадку ми обмежились одним показником ефективності – масою металоконструкцій МС при заданих межах міцності.

Дана цільова функція ОП маніпуляційних систем дозволяє виконати кількісний і якісний аналізи конструктивних рішень для розрахункових перерізів будь-якої форми.

На основі теоретичних досліджень опорних вузлів МС доведено, що титанові сплави більш пластичні ніж леговані сталі, при однакових діючих зусиллях мають кращі деформаційні властивості при забезпеченні рівноміцних перерізів (рис. 20, рис. 21).

З метою зменшення інтенсивності зношування робочих поверхонь рекомендовано підсилити титановими сплавами опорні вузли МС.

Розроблені основи розрахунку проектних параметрів маніпуляторів для цехів первинної переробки забійних тварин. На підставі розроблених основ запропонована конструкція МС для цехів первинної переробки забійних тварин.

У шостому розділі «Моделювання, оптимізація та інтенсифікація технологічного процесу первинної переробки забійних тварин» побудована математична модель цього технологічного процесу. Формалізовані технологічні операції за рівнями їх складності. Визначені структурні елементи математичної моделі та зв’язок між ними.

Теоретично досліджено функціонування комплексу машин і апаратів, об’єднаних у блоково-модульні лінії і системи машин технологічного потоку з урахуванням закономірностей процесів на первинній переробці забійних тварин. Цей комплекс машин з достатньою точністю формалізується узагальненими Ерланговими моделями.

Визначені пріоритетні напрямки впровадження гнучкої автоматизованої системи переробки тварин (ГАСПТ). ГАСПТ являє собою складну структуру, яка включає ланки, об'єднані в складний за технологією і будовою взаємозв'язків технологічний процес, що функціонує за модульним принципом. Основні модулі ГАСПТ – маніпулятори, транспортні засоби, контрольно-вимірювальні пристрої та інше. Взаємозв'язок між модулями в подібних системах має складний характер. Як правило, в таких системах у кожній конкретній ситуації виникає нескінченна кількість (множина) швидкозмінних умов, факторів і зовнішніх дій, які впливають в цілому на весь хід функціонування ГАСПТ. Вихідний параметр є елементом деякої множини V і визначається станом агрегата W(t) за допомогою оператора С. Загальну схему функціонування агрегатів первинної переробки тварин подаємо у вигляді сукупності двох випадкових операторів: С, який впливає на вихідний параметр V=C[(W(t),fn], де: fх є останнім керуючим сигналом, i C' – є перевіряючим сигналом. Він визначає для кожного t, належного W(t), одній з підмножин Wx оптимального стану агрегата.

Досліджено структуру тривалості виробничого циклу первинної переробки тварин за умови скорочення часу технологічного циклу. При перервному виробничому процесі можна застосувати паралельно-послідовну схему руху предмету праці, коли на виробництві необхідно застосовувати паралельні робочі місця з однаковими технологічними операціями.

Виведена залежність для розрахунку тривалості технологічного циклу при перервно-послідовному русі предмету праці:

, (45)

де – тривалість циклу при паралельно-послідовному русі предмету праці, с; nc – число тварин у партії; – сума тривалості всіх операцій, які проходить тварина, з урахуванням норм і числа нормально зайнятих робочих місць на кожній операції, с; – відповідно, тривалість всіх великих і малих операцій, с.

У сьомому розділі «Теоретичні основи розрахунку продуктивності машин та контроль якості виробництва» отримані залежності для визначення продуктивності машин циклічної і неперервної дії з урахуванням енергозатрат при виконанні технологічних операції для машин циклічної дії:

(46)

для машин неперервної дії:

(47)

де m – кількість двигунів; n - число виконуваних операцій; Ei – енергоємність і-ї операції, кВт·г/т; E – енергоємність операції, яку виконує машина, кВт·год/т; Njmax – максимальна потужність j-го двигуна, кВт; i – коефіцієнт використання максимальної потужності двигуна при виконанні і-ї операції; ср – середнє значення коефіцієнта використання максимальної потужності двигуна.

Якщо технологічна машина виконує завантажувально-розвантажувальні і транспортні операції, затрати енергії визначили:

Епо = Ерт + Ерх+Ехх+Епм, (48)

де Епо – затрати енергії на завантажувально-розвантажувальні і транспортувальні операції, кВт•г/т; Ерт – затрати енергії на виконання технологічної роботи, кВт•г/т; Епм – затрати енергії на привід маніпулятора, кВт•г/т; Ерх – затрати енергії на виконання робочого ходу, кВт•г/т; Ехх – затрати енергії на виконання холостого ходу, кВт•г/т;

Розроблений метод контролю якості виробів. Показник якості вимірюється у відносних одиницях і лежить в межах від 0 до 100 %. Межу показника якості задають залежно від характеристики підприємства, яке постачає сировину, місця його розташування, технології її виробництва.

Даний метод контролю передбачає наявність закону керування якістю за функцією fк (t) за вибраним критерієм оптимальності (рис. 22) на вибраному періоді Троз. Зміст задання цього часу полягає в наступному. В момент контролю дійсне значення показника якості виробництва Кд може задовільняти технологічний процес і так близько знаходитись від мінімально допустимого значення, що доцільно, не зупиняючи роботу, підняти показник якості відповідно до закону керування fк(t) до планового значення за період Троз. Якщо дійсне значення Кд змінюється за законом fз(t) за час, Троз досягне значення Кп, яке є меншим від мінімально допустимого fпл (t) Кп, то виробляється зовнішня керуюча дія, в іншому випадку настроювати технологічний процес не потрібно.

Запропонований метод визначення якості роботи технологічного обладнання і маніпуляторів та виготовлення продукції узгоджується з автоматизованими системами керування технологічними процесами, призначеними для вироблення і реалізації керуючих дій на технологічний об’єкт керування відповідно до прийнятого критерію якості.

Розроблено схему застосування на виробництві динамічного аналізу контролю якості виконання технологічних операцій, яка дозволяє підвищити якість продукції, що, в свою чергу, приведе до зниження витрат усіх видів за рахунок наступних факторів: зменшення відходів на виробництві, затрат на рекламації, контрольних операцій, підвищення кваліфікації робітників і покращення технологічної та трудової дисципліни.

Проведено комплексне дослідження показників якості роботи працівників і обладнання. На цій основі запропоновано використовувати узагальнений показник якості.

У восьмому розділі «Практична