Оценка предельного состояния тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа по критерию расхода масла

Сельское хозяйство включает в себя одну из отраслей переработки сырья, направленную на обеспечение населения хлебом. Современное хлебопекарное производство оснащено разнообразным технологическим и транспортным оборудованием, предназначенным для транспортирования, хранения и подготовки к про- изводству муки и дополнительного сырья, приготовления теста, его деления и формовки, выпечки и упаковки с последующей транспортировкой [1]. От надежности работы оборудования, используемого в технологических линиях, зависит продовольственная безопасность государства.

Одним из важных этапов в технологическом процессе производства хлеба и хлебобулочных изделий является деление готового теста на заготовки одинаковой массы. Эту операцию выполняет тестоделительная машина [2].

Проведенный анализ поставляемых на рынок России и стран СНГ тестоделительных машин показал, что лидером в данном сегменте рынка является ЗАО НПП фирма «Восход», на долю которой приходится более 45 % общего объема продаж. Высокая востребованность на российском и зарубежном рынках объясняется сочетанием уникальных технологий, применяемых на предприятии, высокоэффективной организации производственного процесса, бескомпромиссного качества и выгодной цены. В последние годы на предприятии внедрена система Hazard Analysis and Critical Control Point, которая направлена на минимизацию возможных проблем, связанных с безопасностью пищевых изделий.

ЗАО НПП фирма «Восход» выпускает тестоделительные машины марки ТД, которые имеют идентичную конструкцию камер всасывания и отличаются их объемом и количеством мерных камер делительного узла (ТД-4 – одна, ТД-2М - две и ТД-3М - три мерные ка-меры)1.

Зарубежными аналогами тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа являются: Parta U (Германия), Glimek SD-180 (Швеция), КТМ-1 CRV (Турция) [3]. При этом стоимость этого оборудования на порядок превышает стоимость отечественных машин при сопоставимых показателях надежности. Заявленный нормативный срок службы тестоделительных машин отечественных и зарубежных производителей составляет не менее 10 лет при условии соблюдения всех регламент-

Том 30, № 3. 2020

ных работ по их обслуживанию и технической эксплуатации2.

Исследования эксплуатационной надежности делительных устройств (ДУ) тестоделительных машин, которые ответственны за стабильность развесовки тестовых заготовок, были проведены лабораторией № 11 ГНУ ГОСНИТИ и показали, что при технологической загрузке от 10 до 20 часов в сутки их срок службы составляет не более 5–7 лет [4].

Показателем работоспособности тестоделительных машин является точность развесовки настроенной массы теста. В руководстве по эксплуатации регламентировано, согласно ГОСТу Р 58233-2018, допустимое отклонение заготовок теста значением ±2 % при их массе более 200 г3.

Однако в технической документации отсутствуют данные о составных частях, ответственных за выход показателя работоспособности за допустимые пределы, и о характеристике их состояния.

Обзор литературы

В паспорте на изделие завод изготовитель указывает, что за предельное состояние тестоделительной машины следует принимать4:

• 1)    отказ одной или нескольких составных частей, восстановление или замена которых на месте эксплуатации невозможны;

• 2)    состояние составных частей, которые приводят к прекращению функционирования тестоделителя или выходу его показателя работоспособности за допустимые пределы;

• 3)    превышение установленного уровня текущих (суммарных) затрат на техническое обслуживание и ремонт или другие признаки, определя-

• ющие экономическую нецелесообразность дальнейшей эксплуатации.

Однако в паспорте отсутствует критерий и критериальное значение предельного состояния тестоделительных машин, при достижении которого их эксплуатация запрещена.

По данным ряда работ, при проведении исследований эксплуатационной надежности ДУ тестоделительных машин критерием предельного состояния является внешняя утечка теста через образовавшиеся зазоры в соединениях деталей [5-8]. Однако это противоречит принципу работы тестоделительных машин.

В других работах представленные результаты микрометражных исследований поверхностей деталей тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа «А2-ХПО/5», PARTA U2, SP-2, BENIER показали, что максимальные эксплуатационные зазоры в соединениях всасывающей камеры составляют от 300 до 1 000 мкм [9; 10]. Эти значения зазоров в соединениях деталей превышают принятые в машиностроении нормы более чем в два раза, а их дальнейшая эксплуатация становится нецелесообразной. Однако в работах дан только диапазон зазоров, но неопределенно его предельное значение.

В серии исследований отмечается зависимость качества хлебобулочных изделий из пшеничного теста от режимов его обработки в тестоделительных машинах [11; 12]. Проведенные исследования направлены на определение критерия предельного состояния работы тестоделительных машин. Однако заводы-изготовители машин дают рекомендации по вязкости теста, а ее изменение приводит к внешней утечке теста и нарушению дальнейшей его обработки в технологической цепочке, например, на округлителях.

Из-за отсутствия критерия оценки работоспособности тестоделительной машины предлагается конструкторское решение по замене дозирующего устройства теста [13].

Таким образом, целью данных исследований является определение критерия и критериального значения предельного состояния работоспособности ДУ вакуумно-поршневого типа.

Материалы и методы

В качестве смазочно-технологической жидкости применялось масло Foodline WP 32 (производитель AIMOL), имеющее при температуре 40 °С вязкость 40 сСт, плотность 0,840 г/мл; температура масла при испытаниях составляла (25 ± 5) °С. Весы для измерения емкости с пищевым маслом, которое подается в дроссели, имеют точность измерения ±0,1 г. Весы, используемые для измерения массы кусков теста, имеют точность измерения ±1 г.

Конструкция ДУ вакуумно-поршневого типа (рис. 1) включает в себя два основных механизма: всасывающий (I) для наполнения камеры всасывания тестом и делительный (II) для получения заготовки настроенной массы.

В начальный момент наполнения всасывающей камеры тестом отверстие в конце камеры закрыто боковой поверхностью барабана 6 , а всасывающий поршень и отрезной нож находятся в конце камеры с зазором относительно поверхности барабана 5 ± 1 мм и 3 ± 1 мм соответственно (рис. 1а). Этот зазор после первого запуска тестоделительной машины заполняется тестом. При наполнении всасывающей камеры тестом первым движение начинает отрезной нож, открывая нижнюю часть бункера. Затем в этом же направлении начинает двигаться поршень, засасывая внутрь камеры тесто за счет создаваемого разрежения.

После наполнения всасывающей камеры наступает цикл деления (рис. 1b). При делении из камеры всасывания поршень нагнетает тесто в мерную камеру, заполняя ее до момента, когда мерный поршень упрется в ограничитель, настроенный на заданную массу заготовки. Затем барабан поворачива-

а) цикл всасывания / suction cycle

b) цикл деления / division cycle

Р и с. 1. Схема работы ДУ: 1 – корпус всасывающей камеры; 2 – верхняя часть камеры всасывания; 3 - бункер; 4 - всасывающий поршень; 5 - отрезной нож; 6 - барабан;

7 – мерный поршень

F i g. 1. Operation diagram of the remote control unit: 1 - suction chamber body;

2 – upper part of the suction chamber; 3 – hopper; 4 – suction piston; 5 – cutting knife; 6 – drum;

7 – dimensional piston ется на 90°, отрезая порцию заготовки теста, и при вертикальном положении мерной камеры мерный поршень выталкивает ее на транспортерную ленту.

Детали ДУ, работающие в подвижных соединениях, изготавливаются с зазорами не более 0,05-0,1 мм. Подаваемое через дроссели пищевое масло, растекаясь по поверхностям деталей, заполняет зазоры, перекрывая доступ воздуха внутрь камеры и обеспечивая вакуум [14–17].

Два дросселя подают масло через боковые отверстия камеры всасывания, откуда оно попадает в зазоры (рис. 1) «всасывающий поршень 4 – камера 1» и «отрезной нож 5 – камера 1». Третий дроссель подает масло через верхнюю часть камеры всасывания со стороны делительного барабана. Отсюда масло попадает в зазор соединения «барабан 6 – камера всасывания 1». Четвертый дроссель подает масло также через верхнюю часть камеры всасывания, но с противоположной стороны от делительного барабана, заполняя зазор соединения «отрезной нож 5 - верхняя часть камеры всасывания 2». Кроме того, масло, стекая по технологическим отверстиям в ноже и поршне, омывает поверхности этих деталей в соединениях «поршень 4 - дно камеры 1» и «поршень 4 – отрезной нож 5». Подача масла регулируется винтом дросселя, имеющим 10 оборотов, от полного закрытия до полного открытия проходного сечения.

Насос марки PEKAR, установленный на тестоделительных машинах, имеет пропускную способность масла 1,4 мл за один рабочий ход диафрагмы, благодаря которой расход масла увеличивается при увеличении зазоров или прекращается при их отсутствии [14]. При этом давление нулевой подачи составляет не более 0,3 кгс/см2, так как он перестает засасывать масло.

Согласно техническому паспорту система подачи масла настраивается регулировкой дросселей на расход 320–350 мл на 1 000 заготовок. Для обеспечения указанного расхода масла верхние дроссели открываются на 3 оборота, а боковые на 2 оборота из-за разной площади трения деталей.

В процессе эксплуатации тестоделительной машины изнашиваются рабочие поверхности деталей как всасывающего, так и делительного механизмов [18–21].

Так как торцевая часть всасывающей камеры со стороны делительного механизма закрыта остатками теста, то на падение вакуума будет влиять увеличение зазоров в соединениях «всасывающий поршень – вертикальная часть камеры», «отрезной нож - вертикальная часть камеры», «отрезной нож – верхняя часть камеры всасывания», «поршень – дно камеры» и «поршень – отрезной нож».

Исключение попадания воздуха в камеру всасывания из-за износа деталей достигается увеличением подачи масла. При этом подачу начинают через верхний дроссель с противоположной стороны от делительного барабана. После его полного открытия подачу масла увеличивают боковыми дросселями.

По мере увеличения износа деталей наступает момент, когда подача масла не обеспечивает вакуум во всасывающей камере и точность развесовки теста в допустимых границах. Данное состояние ДУ тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа следует принимать как предельное [18; 22].

Задачей эксперимента являлось определение предельного значения расхода пищевого масла, подаваемого в зазоры соединений, при котором не обеспечивается точность развесовки в заданных пределах. Исследования проведены с использованием тестоделительных машин ТД-4, находящихся в эксплуатации на хлебопекарных предприятиях г. Саранска.

Настройку подачи масла через дроссели производили из расчета для 300 тестовых заготовок из пшеничной муки влажностью более 40 % массой 500 ± 10 г. Исходя из условия, что подача масла для новых тестоделительных машин должна составлять 269–294 г на 1 000 таких заготовок, для 300 тесто- вых заготовок среднее значение составило 85 г. Данную подачу обеспечили открытием верхних дросселей на три оборота и боковых ‒ на два оборота.

С учетом технических характеристик насоса пропускная способность дросселей за один оборот винта составила 8,8 г.

После загрузки теста в бункер включается тестоделительная машина и увеличением частоты вращения коленчатого вала выставляется средняя производительность получения тестовых заготовок, равная 15 шт/мин.

Контроль массы тестовых заготовок осуществлялся выборочно. Для нормального закона распределения массы при доверительной вероятности α ₀ = 0,90, значении относительной ошибки е_а = 5 %, коэффициенте вариации V = 0,15 достаточно взвесить 16 заготовок из 300 полученных⁵ [23].

Если среднее значение массы измеренных кусков тестовых заготовок выходило за допустимые значения, то дополнительно открывались дроссели: сначала верхний с противоположной стороны от барабана, а затем боковые. Учитывалось, что подача масла через боковые дроссели должна начинаться только после того, как верхний дроссель будет выкручен до конца. После каждой регулировки процесс контроля расхода масла и массы тестовых заготовок повторялся до достижения точности развесовки в заданных пределах.

После определения критериального значения работоспособности ДУ проводилась оценка их технического состояния в условиях эксплуатации хлебопекарных предприятий.

Для выбора количества объектов исследования использовали критерий хи-квадрат, задав критическое значение мощности pкр = 0,5 и значение од- носторонней доверительной вероятности pд = 0,806 [23].

Результаты исследования

Проведенный анализ принципа работы тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа позволил определить критерий предельного состояния – подача пищевого масла в трущиеся соединения деталей.

Том 30, № 3. 2020

Результаты оценки технического состояния ДУ тестоделительных машин по критерию расхода масла, обеспечивающего разряжение воздуха в камере всасывания, представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что из 16 тестоделительных машин, принятых для исследований, две машины (№ 1 и 3)

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Результаты определения массы кусков теста от расхода масла

Results of determining the dependence of the weight of dough pieces on oil consumption

Номер тестоделительной машины / Number of the dough dividing machine	Масса заготовок при номинальной подаче масла М н, г / Weight of workpieces at nominal oil supply М н, g	Масса заготовок при увеличенной подаче масла М у, г / Weight of the workpieces at an increased oil supply М у, g	Расход масла Q , г / Oil consumption Q , g	Величина открытия дросселей / Throttle opening value
1	506	–	81	Верхний 3 оборота, боковые 2 оборота / Upper 3 turns, sidebar 2 turns
2	478	494	95	Верхний 4 оборота, боковые 2 оборота / Upper 4 turns, sidebar 2 turns
3	498	–	86	Верхний 3 оборота, боковые 2 оборота / Upper 3 turns, sidebar 2 turns
4	462	504	125	Верхний 7 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 7 turns, sidebar 2 turns
5	460	503	129	Верхний 8 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 8 turns, sidebar 2 turns
6	468	504	112	Верхний 6 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 6 turns, sidebar 2 turns
7	472	498	104	Верхний 5 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 5 turns, sidebar 2 turns

Окончание табл. 1 / End of table 1

Номер тестоделительной машины / Number of the dough dividing machine Масса заготовок при номинальной подаче масла Мн, г / Weight of workpieces at nominal oil supply Мн, g Масса заготовок при увеличенной подаче масла Му, г / Weight of the workpieces at an increased oil supply Му, g Расход масла Q, г / Oil consumption Q, g Величина открытия дросселей / Throttle opening value 8 458 496 139 Верхний 9 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 9 turns, sidebar 2 turns 9 422 482 236 Верхний 10 оборотов, боковые 7 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 7 turns 10 446 494 183 Верхний 10 оборотов, боковые 4 оборота / Upper 10 turns, sidebar 4 turns 11 454 500 147 Верхний 10 оборотов, боковые 2 оборота / Upper 10 turns, sidebar 2 turns 12 404 468 288 Верхний 10 оборотов, боковые 10 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 10 turns 13 426 502 220 Верхний 10 оборотов, боковые 6 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 6 turns 14 430 496 218 Верхний 10 оборотов, боковые 6 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 6 turns 15 416 474 254 Верхний 10 оборотов, боковые 8 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 8 turns 16 410 478 250 Верхний 10 оборотов, боковые 8 оборотов / Upper 10 turns, sidebar 8 turns обеспечивают точность развесовки массы теста в заданных пределах при открытии верхних дросселей на три оборота, а боковых – на два оборота. Из остальных 14 машин у 4 точность развесовки массы теста выходит за допустимые значения, начиная с открытия верхнего дросселя с противоположной стороны от барабана делителя на 10 оборотов, а боковых – на семь оборотов (№ 9, 12, 15, 16). У остальных 10 машин точность развесовки массы теста, выходящая за допустимые значения, восстанавливается при открытии верхнего дросселя с противоположной стороны от барабана делителя на 10 оборотов, а боковых – на 6 оборотов.

Р и с. 2. График зависимости массы тестовых заготовок тестоделительных машин от расхода масла

F i g. 2. Graph of the dependence of the weight of dough blanks of dough dividers on the oil consumption

По значениям, полученным экспериментальным путем, методом наименьших квадратов получена линейная зависимость, описывающая корреляционную связь технического состояния тестоделительной машины по критерию расхода масла, обеспечивающего вакуум во всасывающей камере, и точностью разве-совки массы тестовой заготовки. График представлен на рисунке 2.

Установлено, что при подаче пищевого масла, начиная со значения 218 г за 300 заготовок, оно не успевает заполнять зазоры и обеспечивать вакуум во всасывающей камере, то есть обеспечение точности развесовки теста исключается. Данное значение следует принимать как предельное состояние работоспособности ДУ тестоделительной машины. Для обеспечения предельного расхода масла верхний дроссель с противоположной стороны от барабана делителя открывается на 10 оборотов, а боковые – на 7 оборотов.

Согласно регламенту постановки изделия на капитальный ремонт за критерий технического состояния принимается допустимое значение параметра работоспособности. Многократно дока- зано, что предельное и допустимое значения являются функцией ресурса, условий эксплуатации и ремонта. Тогда, чтобы после первого капитального ремонта наработка соединения была равна фактической наработке в доремонт-ный период эксплуатации, допустимое значение не должно превышать 50 % от предельного значения параметра работоспособности. Основываясь на данном положении, для тестоделительной машины ТД-4 допустимый расход масла на 300 заготовок составит 109 г. Для обеспечения допустимого расхода масла верхний дроссель с противоположной стороны от барабана делителя открывается на 6 оборотов, а боковые – на два оборота.

Для определения технического состояния ДУ, находящихся в условиях эксплуатации, количество принятых для исследования машин определялось для установленных значений параметров по графику зависимости количества объектов N от односторонней доверительной вероятности p _д критерия хи –квадрат (рис. 3) [23].

«Из графика на рисунке 3 видно, что для принятой односторонней дове-

Р и с. 3. График зависимости количества объектов N от односторонней доверительной вероятности p _д критерия хи –квадрат

F i g. 3. Graph of the dependence of the number of objects N on the one-way confidence probability of the hi –square criterion

рительной вероятности p = 0,80 количество объектов для проведения эксперимента равно N = 28 шт» [23].

В таблице 2 представлены результаты статистической обработки параметра работоспособности тестоделительных машин модели ТД-4, значения которых выше допустимого, где Q – среднее арифметическое выборки расхода масла, мкм; σ – стандартное отклонение; Qmax(Qmin) — максимальное (минималь- ное) значение выборки расхода масла, мкм.

Для определения теоретического закона распределения расхода масла, характеризующего техническое состояние ДУ тестоделительных машин, проведена проверка нормальности результатов измерений по критерию Шапиро – Уилка ( W )⁷ [23].

Представленные в таблице 2 результаты показывают, что для тесто-

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Параметры дескриптивной статистики выборки расхода масла тестоделительных машин ТД-4

Parameters of descriptive statistics for sampling oil consumption of TD-4 dough divider

N	Q	σ	Диапазон значений / Range of values		pW
			Q max	Q min
28	180,7	65,2	296	110	0,0009

7 Там же.

Technologies and maintenance means in agriculture делительных машин ТД-4 уровень W-критерияpW < 0,05, что отвергает нулевую гипотезу о нормальном распределении значений выборки.

Оценку качества подгонки измерений расхода масла к закону Вейбулла – Гнеденко проводили по критерию Холландера - Прошана (HP)8 [23]. Результаты расчета показали, что текущее значение уровня значимости pHP равно 0,88, следовательно, имеет место альтернативная гипотеза.

Параметры закона определялись методом максимального правдоподобия с использованием программы Statistica.

В таблице 3 представлены параметры закона распределения Вейбулла – Гнеденко. Математическое ожидание

Р и с. 4. Функция распределения расхода масла F i g. 4. Function of oil consumption distribution

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Параметры закона распределения Вейбулла расхода масла Q тестоделительных машин ТД-4 Parameters of the law of Q Weibull distribution of oil consumption of TD-4 dough dividers

Параметры трехпараметрического закона распределения Вейбулла / Parameters of the three-parameter law distributions Weibull	μ	181,00
	c	100,70
	α	85,80
	b	1,23
pHP		0,63

8 Там же.

трехпараметрической функции μ определялось с использованием модуля «вероятностный калькулятор» в программе Statistica.

Из рисунка 4 и таблицы 3 видно, что 29 % тестоделительных машин на хлебопекарных предприятий эксплуатируются в запредельном состоянии. У 71 % находящихся на эксплуатации тестоделительных машин расход масла не превышает предельного значения.

Обсуждение и заключение

Установлено, что из-за отсутствия регламента постановки тестоделительных машин на капитальный ремонт не менее 29 % из их числа эксплуатируются в запредельном состоянии с нарушением установленной ГОСТом нормы развесовки теста. При этом значительно завышается расход дорогостоящего пищевого масла, что негативно отражается на себестоимости готового продукта.

На основе анализа конструкции и принципа работы делительных устройств вакуумно-поршневого типа тестоделительных машин установлено, что критерием предельного технического состояния служит количество пищевого масла, необходимое для за- полнения зазоров в трущихся соединениях, создания за счет этого вакуума во всасывающей камере и обеспечения таким образом точности развесовки теста в заданных пределах.

В качестве оценки предельного состояния работоспособности делительного устройства тестоделительной машины экспериментально установлено предельное значение расхода пищевого масла для получения 300 заготовок теста, равное 218 г. При этом принятое допустимое значение расхода пищевого масла при получении 300 тестовых заготовок равно 109 г.

Определение предельного и допустимого значения расхода масла тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа находит практическое применение в инженерных службах хлебопекарных предприятий, позволяющих своевременно поставлять оборудование на капитальный ремонт. Полученная зависимость развесов-ки теста от расхода масла позволяет провести диагностику оценки технического состояния тестоделительных машин и спрогнозировать остаточный ресурс.

Technologies and maintenance means in agriculture 459

Поступила 09.03.2020; принята к публикации 10.05.2020; опубликована онлайн 30.09.2020

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.