Исследование влияния технологических параметров на шумовые характеристики машины для измельчения мяса

Машины для измельчения мяса (МИМ) применяются на предприятиях питания: столовых, кафе, ресторанах, торговых и кулинарных предприятиях, а также предприятий пищевой промышленности и в быту. В зависимости от назначения и области применения они различаются по технологическим функциям – производительности, степени измельчения;

по конструктивным – габаритами, рабочим органом, приводным механизмом, корпусом, способом установки; по электрическим – установленной мощностью привода, подводимым напряжением. Как показали результаты предыдущих исследований ШХ МИМ [1], наиболее существенное влияние на них оказывают конструктивные факторы. Особенно это касается приводного механизма. В качестве приводного

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, № 4, механизма используют зубчатые или червячные передачи, а также клиноременные. Наибольший уровень шума излучают прямозубые и косозубые передачи. Несмотря на это обстоятельство, производители машин МИМ отдают предпочтение применению зубчатых передач из-за высокой надежности при измельчении мяса и рыбы, а также меньшему энергопотреблению, чем у червячных передач.

На предприятиях общественного питания нашли широкое применение машины МИМ небольших габаритов, производительностью от 80 до 500 кг/ч, с зубчатым приводом, корпусом из алюминиевых сплавов, устанавливаемых на технологическом столе на амортизаторах или жестко.

Машины МИМ серийно выпускаются для стран СНГ Барановичским заводом торгового машиностроения (Республика Беларусь), а также итальянскими, хорватскими, немецкими, французскими и др. зарубежными фирмами. На рынок эти машины поступают сертифицированными, в т. ч. по шумовым характеристикам. Вместе с тем установлено, что ШХ машин в процессе эксплуатации «деградируют» вплоть до «шумового отказа», когда излучаемая машиной звуковая мощность превышает предельно допустимые нормы по шуму (ПДШХ). Нарушение санитарно-гигиенических норм по шуму отрицательно сказывается на здоровье трудящихся предприятий питания, а при применении этих машин в быту и на здоровье не только взрослых, но и детей [2]. Следует отметить, что в нормативно-технической литературе сведения о ШХ машин отсутствуют, даже при работе без нагрузки.

Превышение машинами санитарногигиенических норм в процессе эксплуатации серийно выпускаемых и сертифицированных машин необходимо периодически контролировать. Санитарные службы городов и других местностей этой работой не занимаются.

Поэтому целью данной работы является установление ШХ машины МИМ в различных режимах: при работе с нагрузкой и без, установление влияния на ШХ машины ее отдельных составляющих, влияния вида продукта, остроты ножей и усилия на толкателе.

• 1.1    Методические предпосылки

  Измерения проводились в лаборатории виброакустики кафедры оборудования пищевых производств ДонНУЭТ в реверберационной камере объемом 70 м³ в соответствии со стандартом ИСО 3743–1–94; 3743–2–94. Расхождение между внешним шумом и источником звука составило более 10 дБ (дБА) как в октавных полосах частот, так и по корректированному по А уровню звука[3]. Измерения уровней звукового давления (УЗД) проводилось аттестованным шумомером 1-го класса «Ассистент» (Россия) в октавных

полосах частот и уровню звука. Микрофон устанавливался на измерительном расстоянии 1 м. Записанные шумомером УЗД пересчитывались на уровни звуковой мощности (УЗМ).

В качестве исследуемого образца использовалась машина Koncar MEM 12Е (рисунок 1) хорватского производства. Эти машины достаточно широко применяются на предприятиях общественного питания и в быту в странах СНГ и Европе [4]. Конструкцию профессиональных мясорубок Koncar отличает простота и отличные прочностные характеристики. Корпус и шнек изготовлены из высококачественной нержавеющей стали, все модели комплектуются односторонним ножом и решеткой Ø4 мм. Производительность машины – 100 кг/ч, установленная мощность электродвигателя – 250 Вт, ток переменный, напряжением 220 В, масса – 11 кг, число оборотов рабочего органа – 280 об/мин, габариты – 420 × 250 × 250 мм. Машина устанавливается на технологическом столе на специальных резиновых амортизаторах, приводной механизм – зубчатая передача. Машина предназначена для измельчения свежего и дефростированного мяса и рыбы. В качестве объекта исследований использовалось два сорта говяжьего мяса: мякоть и мякоть с повышенным содержанием соединительной ткани, а также дефростированное филе семги. Подача продукта в машину производится оператором толкателем вручную [4, 5]. В качестве рабочего органа используются ножи скользящего резания и ножевая решетка, подача продукта к рабочему органу осуществляется шнеком. Прижатие ножа к ножевой решетке выполняется натяжной гайкой. ШХ машины и нагрузка на привод зависят от усилия затяжки этой гайки, которая выполняется вручную оператором. Машина была подготовлена и эксплуатировалась в полном соответствии с руководством по эксплуатации.

Рисунок 1. Исследование влияния составных частей конструкции машины на ШХ: 1 – шумомер «Ассистент» (Россия); 2 – микрофон; 3 – машина МИМ Koncar; 4 – загрузочный лоток; 5 – корпус камеры; 6 – шнек; 7 – нож; 8 – ножевая решетка

Figure 1. Research of influence of components design of the machine on the NC: 1 – Sound Level Meter "Assistant" (Russia); 2 – microphone; 3 – machine Koncar; 4 – loading tray; 5 – casing camera; 6 – screw; 7 – knife; 8 – knife lattice

• 1.2    Обоснование и выбор пределов изменения входных факторов

Для определения основных факторов, влияющих на процесс измельчения мяса, были проведены предварительные экспериментальные исследования[1].

Излучаемые уровни звуковой мощности машины МИМ Koncar при работе без нагрузки и с нагрузкой в октавных полосах приведены в таблице 1 и на рисунке 2.

В процессе эксперимента для фиксированной величины подачи использовались тарированные грузы различной массы, но такой, которая обеспечивала бы подачу продукта в машину: 2,95 и 1,48 кг. Грузы выполнены в виде дисков с центральным отверстием. Диаметр отверстий позволял надевать грузы на ручку толкателя.

Корректированный по А уровню звуковой мощности составляют: при работе без

Уровни звуковой мощности машины при измельчения

нагрузки – 79,7 дБА, при работе с нагрузкой – при измельчении рыбы – 72,7 дБА. Изменения составили -7,3 дБА.

Уравнения регрессии измельчения УЗМ в октавных полосах частот в зависимости от частоты имеют вид (рисунок 2):

• –    без нагрузки:

Lp, = 37,2 + 0,1 х3 -3,15х2 + 20,2х(1)

• –    с нагрузкой при резании мяса:

Lp2 =39,15+0,07x3 -2,7х2+17,8x

• –    с нагрузкой при резании рыбы:

Lp =39,1+0,08x3-2,5х2+15,9х

Анализ ШХ машины в октавных полосах частот показал, что наиболее высокий уровень излучения при работе без нагрузки приходится на средние частоты, прежде всего на частотах 1000 Гц и составляет 77,1 дБ. Превышение ПДШХ – 2,1 дБ. На остальных частотах превышения ПДШХ не обнаружено.

Таблица 1.

Table 1.

Sound power levels of machinery when working

	Уровни звуковой мощности, Lp дБ, в октавных полосах частот, Гц Sound power level, Lp dВ, octave frequency, Hz								УЗМ по А, дБА SPL by A, dВА
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
ПДШХ LANC	94	87	82	78	75	73	71	70	80
УЗМ машины без продукта на холостом ходу (XX) SPL at idle move	55,1	66	71,6	76,2	77,1	68,2	62,4	55,7	79,7
УЗМ машины при измельчении мяса SPL machinery grinding the meat	53,8	66,2	68,9	70,3	71,9	64,6	55,2	46,4	74,1
УЗМ машины при измельчении мяса с повышенным содержанием соединительной ткани SPL machinery grinding the meat with connective tissue	58	65,5	68,5	68,7	70,3	63,9	54,4	45,8	72,7
УЗМ машины при измельчении рыбы SPL machinery grinding a fish	52,7	61,8	67,2	65,3	70,3	62,7	54,9	50,1	72,4
Влияние продукта наУЗМ The impact of the product on the SPL	-2,4	-4,2	-4,4	-10,9	-6,8	-5,5	-7,5	-5,6	-7,3

Рисунок 2. Уровни звуковой мощности машины МИМ Koncar, дБ: 1 – ПДШХ; 2 – УЗМ машины МИМ на XX; 3 – УЗМ при измельчении мяса с мякотью; 4 – УЗМ машины при измельчении мяса с повышенным содержанием соединительной ткани; 5 – УЗМ машины при измельчении рыбы

Figure 2. Sound power levels of machinery MGM, dВ: 1 – LANC; 2 – SPL at idle move; 3 – SPL machinery grinding the meat; 4 – SPL machinery grinding the meat with connective tissue; 5 – SPL machinery grinding a fish

Рисунок 3. Корректированные по А уровни звуковой мощности, дБА: 1 – ПДШХ; 2 – УЗМ машины МИМ на XX; 3 – УЗМ машины при измельчении мяса; 4 – УЗМ машины при измельчении мяса с повышенным содержанием соединительной ткани; 5 – УЗМ машины при измельчении рыбы

Figure 3. Corrected by A sound power levels, dВА: SPL at idle move; 3 – SPL machinery grinding the meat; 4 – SPL machinery grinding the meat with connective tissue; 5 – SPL machinery grinding a fish

Сравнение ШХ машины МИМ Koncar с нагрузкой и без нее показало, что при работе без нагрузки уровень шума выше, чем под нагрузкой на низких частотах, на средних частотах – выше на 4 дБ, на высоких –на 5–7 дБ и по LрА –на 7,3 дБА. Эти данные свидетельствуют о наличии ударных нагрузок в машине. Снижение УЗМ машины под нагрузкой, в отличие от других технологических машин пищевых производств, происходит в результате смазки рабочего органа мясным соком, который выделяется при продавливании мяса шнеком через ножевую решетку. Аналогичный результат наблюдается и в машинах МИМ других конструкций [1, 3].

По результатам однофакторных экспериментов и анализа литературных источников выделены для дальнейшего исследования следующие факторы [6, 7]: модуль упругости продукта – Е, кПа; усилие на толкателе F, Н; острота ножа, α, рад.

• 1.3    Результаты экспериментальных исследований

Влияние составных частей конструкции машины на ШХ методом отсоединения отдельных элементов, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Уровни звуковой мощности составных частей конструкции машины, дБ: 1 – Предельно допустимая шумовая характеристика (ПДШХ); 2 – ШХ машины МИМ; 3 – ШХ машины МИМ без лотка загрузки; 4 – ШХ машины МИМ без лотка и ножевого блока; 5 – ШХ машины МИМ без лотка, ножевого блока и шнека; 6 – ШХ машины МИМ без лотка, ножевого блока, шнека и рабочей камеры; 7 – ШХ привода машины МИМ

Figure 4. Sound power level machinery components, dВ: 1 – LANC; 2 – SPL at idle move; 3 – SPL without loading the tray; 4 – SPL without loading the tray and knife; 5 – SPL without loading the tray, knife and auger; 6 – SPL without loading the tray, knife, auger and camera; 7 – SPL machinery gearbox

Анализ результатов этих исследований показал, что наличие лотка ухудшает ШХ машины на 1–5 дБ на низких частотах, на 5 дБ на средних частотах и 1–5 дБ на высоких частотах. Ухудшаются ШХ машины от вибрации лотка на частотах 250, 500, 1000 и 4000 Гц. Для снижения влияния конструкции лотка на ШХ машины целесообразно увеличить жесткость лотка путем его оребрения.

Наличие ножа с решеткой оказывает несущественное влияниена ШХ машины в октавных полосах частот, в пределах 1–2 дБ.

Наличие шнека в машине также незначительно влияет на ШХ машины, хотя наблюдается и ухудшение ШХ на 3 дБ на частоте 4000 Гц. Рабочая камера машины, в которой размещены шнек, нож и ножевая решетка, натяжная гайка также, практически, не оказывает влияния на ШХ машины. Наиболее значительный вклад в ШХ машины оказывает ШХ зубчатого редуктора и электродвигателя. Значения ШХ составных частей машины приведены в таблице 2.

Рисунок 5. Корректированные по А уровни звуковой мощности составных частей конструкции машины, дБА: 1 – УЗМ машины на XX; 2 – УЗМ машины МИМ без лотка загрузки; 3 – УЗМ машины МИМ без лотка и ножевого блока; 4 – УЗМ машины МИМ без лотка, ножевого блока и шнека; 5 – УЗМ машины МИМ без лотка, ножевого блока, шнека и рабочей камеры; 6 – УЗМ привода машины

Figure 5. Corrected by A sound power levels machinery components, dВА: 1 – SPL at idle move; 2 – SPL without loading the tray; 3 – SPL without loading the tray and knife; 4 – SPL without loading the tray, knife and auger; 5 – SPL without loading the tray, knife, auger and camera; 6 – SPL machinery gearbox

Таблица 2.

Уровни звуковой мощности составных частей конструкции машины

Table 2.

Уровни звуковой мощности составных частей конструкции машины

	Уровни звуковой мощности, Lp дБ, в октавных полосах частот, Гц Sound power level, Lp dВ, octave frequency, Hz								УЗМ по А, дБА SPL by А, dВА
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
УЗМ машины наXX SPL at idle move	55,1	66,0	71,6	76,2	77,1	68,2	62,4	55,7	79,7
УЗМ без лотка загрузки SPL without loading the tray	54,4	67,1	70,2	69,9	71,6	66,2	60,1	69,0	79,1
УЗМ без лотка и ножа SPL without loading the tray and knife	53,9	68,3	68,9	68,8	70,5	66,3	61,4	51,0	73,7
УЗМ без лотка, ножа и шнека SPL without loading the tray, knife and auger	53,9	68,4	66,4	69,1	72,1	67,3	65,1	53,4	75,0
УЗМ без лотка, ножа, шнека и камеры SPL without loading the tray, knife, auger and camera	53,9	68,4	66,4	69,1	72,1	67,3	65,1	53,4	75,0
УЗМ  привода  машины   SPL machinery gearbox	53,7	67,8	63,6	67,5	69,6	66,9	63,5	55,3	73,4
Влияние составных частей конструкции машины на УЗМ, ΔLк Effect design components machinery on SPL	-1,4	1,8	-8	-8,7	-7,5	-1,3	1,1	-0,4	-6,3

• 1.4    Моделирование результатов исследования.

С целью получения информации о влиянии ряда производственных факторов на ШХ машины МИМ и получения многофакторных моделей этих процессов проведен активный эксперимент по методу Бокса-Уилсона вида 23. В качестве целевой функции принимались значения ШХ в виде УЗМ в октавных полосах частот и по характеристике А.Независимым переменными факторами были приняты: вид продукта, усилие на толкателе и острота ножа. Уровни и интервалы варьирования приведены в таблице 3. Матрица планирования эксперимента и значения функции отклика в октавных полосах частот и по характеристике А приведены в таблице 4. В результате соответствующей обработки данных [8–10] получены значимые адекватные регрессионные модели в кодированных переменных.

Таблица 3.

Пределы изменения входных факторов

Table 3.

Range of input factors variation

Уровни Levels		Пределы изменения факторов Range of input factors variation
		Модуль упругости продукта, Х 1 , кПа Elastic modulus product, Х 1 ,kРа	Усилие на толка-теле,Х 2 , Н Effort on the pusher, Х 2 , N	Острота ножа, Х 3 ,рад Acuity knife, Х 3 , deg
Основной Center point	0	16	22,15	1,02
Верхний High level	+1	26	29,5	1,57
Нижний Low level	-1	8	14,8	0,51
Интервал варьирования The interval of variation	Δi	8	14,7	0,51

Таблица 4.

Матрица планирования эксперимента

Table 4.

Experiment planning matrix

№	Факторы Factors			Значения функции отклика по уровню звуковой мощности, дБ The response function by sound power level, dВ
	Х 1	Х 2	Х 3	Lр 63 , дБ dВ	Lр 125 , дБ dВ	Lр 250 , дБ dВ	Lр 500 , дБ dВ	Lр 1000 , дБ dВ	Lр 2000 , дБ dВ	Lр 4000 , дБ dВ	Lр 8000 , дБ dВ	Lp, дБАdВА
1	+	+	+	60,8	56,2	66,1	66,3	68,8	63,1	55,3	49,4	71,5
2	+	-	-	57,0	64,1	67,4	67,3	69,8	63,2	54,8	48,4	72,2
3	+	+	-	53,8	66,2	68,9	70,3	71,9	64,6	55,2	46,4	74,1
4	-	-	-	51,5	62,8	67,7	66,9	69,9	62,5	54	48,3	72,1
5	-	+	+	54,0	62,3	67,3	66,8	72,0	65,2	56,2	48,8	74,0
6	-	-	+	53,5	62,8	67,1	66,6	71,7	64,5	55,8	48,5	73,6
7	+	-	+	62,3	58,9	67,7	66,7	70	63	55,4	49,1	72,3
8	-	+	-	52,7	61,8	67,2	65,3	70,3	62,7	54,9	50,1	72,4

После проверки коэффициентов регрес-      уравнение зависимости ШХ от переменных сии и адекватности модели исследуемого про-      факторов в кодированных переменных (4–7).

цесса получено многофакторное регрессионное

Для низких частот:

Y_x ( x , x. , x ₃) = 61,9 - 0,54 • x j - 0,26 • x ₂- 1,8 • x ₃ + 0,1 - ^

• x^ - 1,96 • x^ - 0,54 • X 2 X g

- 0,7 • x^x^

Для средних частот:

Y₂ ( x , x ₂, x ₃) = 70,6 - 0,425 • x, + 0,2 • x ₂ + 0,025 x^

- 0,8 • xx - 0,43 • x₂x ^ - 0,4 x^x^x^

Для высоких частот:

Y ( x , x , x ) = 48,6 - 0,3 • x , + 0,33 • x .- 0,475 • xx . + 0,6 • xx , + 0,1 • x„x , + 0,48 • xx. x, 3  1 2 3                  1          3           1 2          1 3         23           1 23

По корректированному уровню А:

Y„x,x,x) = 72,78-0,25x, +0,225x„. + 0,05хлх„, -0,7 • x,x, -0,325 • xx -0,35хлхх pA 1   2   3                       1           2          1 2           1 3              2 3          1 2 3

• (4)

• (5)

• (6)

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, № 4, 2016

Для получения уравнения (7) в натуральных переменных использованы зависимости:

E - 16      F - 22,15      a - 1,02

x =------ ; x? =---------- ; x^ =--------

¹       8      ²       14,7      ³      0,51

Уравнение в натуральных переменных имеет вид:

Lpa(E,F, a ) = 71,3 + 0,002 E - 0,043 F + 1,8 a + 0,006 • E • F - 0,042 • E • a + 0,05 F • a

- 0,006 E • F • a (9)

Величины коэффициентов регрессии позволяют оценить степень влияния переменных факторов на функцию отклика – ШХ машины.

Модуль упругости продукта оказывает наибольшее влияние на ШХ на средних частотах, с его увеличением снижается УЗМ.

Влияние усилия на толкателе также невелико в исследуемом диапазоне. С увеличением усилия на толкателе ШХ возрастают, кроме низких частот, где наблюдается обратная картина. Следует заметить, что верхний интервал варьирования усилия на толкателе ограничивается эргономическими требованиями к усилиям оператора при работе с машиной.

Острота ножа влияет на функцию отклика лишь на низких и высоких частотах, на средних частотах для машин МИМ – влияние незначительно.

Парное взаимодействие факторов Х 1 Х 3 , Х 2 Х 3 приводит к уменьшению величины ШХ машины на средних, высоких частотах и характеристике А.Изменение функции отклика УЗМ по А от модуля упругости и усилия на толкателе приведено на рисунке 6. Определена зона оптимума для ШХ машины

Рисунок 6. График кривых равных значений (а) и поверхности отклика (б) зависимости уровня звуковой мощности Lpa, дБА от: модуля упругости продукта Х 1 , кПа и усилия на толкателе Х 2 , Н

Figure 6. Control plot (a) and the response surface (b) depending sound power level Lpa, dВА of: elastic modulus product Х 1 , kРа and force at the pusher, Х 2 , N

Заключение

Проведенные исследования показали, что излучаемые уровни звуковой мощности машины для измельчения мяса Koncar MEM 12е хорватской фирмы в условиях эксплуатации при работе без нагрузки приближено к ПДШХ и на частоте 1000 Гц превышает –на 2 дБ. При работе машины под нагрузкой ее ШХ, на низких октавных полосах частот ниже, чем без нагрузки, а на средних и высоких частотах выше, вследствие наличия ударных процессов.

Методом отсоединения машины на составные части установлено, что вибрация лотка ухудшает

ШХ машины. Следует увеличить жёсткость его конструкции. Основным источником шума в машине является зубчатый редуктор.

По результатам факторного эксперимента вида 23 установлено, что возрастание УЗМ связано с усилием на толкателе, а также с затуплением ножа. Это явление сказывается на низких частотах. Улучшается ШХ машины при обработке продукта с более высоким модулем упругости.

Дальнейшие исследования предусматривают получение многофакторных моделей в натуральных переменных и апробация методов улучшения ШХ МИМ