ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Производство пищевого оборудования преследует основную цель: создание технологического оборудования высокой эффективности, позволяющего повысить производительность труда при одновременном снижении энергетических затрат. Совершенствование существующего и создание нового высокопроизводительного оборудования для пищевого производства является одной из основных тенденцией развития современного машиностроения. Под гомогенизацией (буквально слово «гомогенизация» означает «повышение однородности») понимают процесс обработки эмульсий, который приводит к дроблению дисперсной фазы. Гомогенизация – это процесс измельчения жидких или пюреобразных пищевых продуктов за счет пропускания их с высокой скоростью и давлением через узкие кольцевые щели. Авторы предлагают для гомогенизации применить механизмы кулачкового типа. Они позволят более рационально распределить время на всасывание и нагнетание продукта. Возможность понижения скорости при нагнетании продукта будет положительно сказываться на процессе гомогенизации. Цель работы: снижение потребляемой мощности при гомогенизации. Методика исследований основывается на методах ТММ. Они позволили разработать методику синтеза механизма привода гомогенизатора и спроектировать машину, обеспечивающую ее работу в соответствии с предложенной цикловой диаграммой. Результаты и обсуждения. Синтез механизмов осуществлялся с учетом полезной нагрузки, которая была определена для существующих отечественных машин при получении плавленого сыра. Так, при заданной производительности 550 л/ч и диаметре плунжера, равном 28 мм, технологическое усилие составило F = 12 315 Н. В соответствии с предложениями авторов было проведено изменение конструкции гомогенизатора за счет внедрения кулачковых механизмов. При проектировании этого привода была предложена новая цикловая диаграмма, позволившая увеличить время на нагнетание продукта и уменьшить время на всасывание. Так, на нагнетание продукта предложено 280°, а на всасывание – 80° по цикловой диаграмме. При этом мощность на приводном валу получили равной Р = 2,5 кВт вместо 3,5 кВт для существующей конструкции, имеющей привод от кривошипно-шатунного механизма. В результате потребляемая мощность уменьшилась на 26 %.

1. Inguva P., Grasselli S., Heng P.W.S. High pressure homogenization – An update on its usage and understanding // Chemical Engineering Research and Design. – 2024. – Vol. 202. – P. 284–302. – DOI: 10.1016/j.cherd.2023.12.026.

2. Chen X., Liang L., Xu X. Advances in converting of meat protein into functional ingredient via engineering modification of high pressure homogenization // Trends in Food Science & Technology. – 2020. – Vol. 106. – P. 12–29. – DOI: 10.1016/j.tifs.2020.09.032.

3. Chevalier-Lucia D., Picart-Palmade L. High-pressure homogenization in food processing // Green food processing techniques / ed. by F. Chemat, E. Vorobiev. – Elsevier: Academic Press, 2019. – P. 139–157. – DOI: 10.1016/B978-0-12-815353-6.00005-7.

4. The influence mechanism of pH and polyphenol structures on the formation, structure, and digestibility of pea starch-polyphenol complexes via high-pressure homogenization / D. Luo, J. Fan, M. Jin, X. Zhang, J. Wang, H. Rao, W. Xue // Food Research International. – 2024. – Vol. 194. – P. 114913. – DOI: 10.1016/j.foodres.2024.114913.

5. Optimization of olive oil based O/W nanoemulsions prepared through ultrasonic homogenization: a response surface methodology approach / T. Mehmood, A. Ahmad, A. Ahmed, Z. Ahmed // Food Chemistry. – 2017. – Vol. 229. – P. 790–796. – DOI: 10.1016/j.foodchem.2017.03.023.

6. Comparative study of oil-in-water emulsions encapsulating fucoxanthin formulated by microchannel emulsification and high-pressure homogenization / Z. Ma, Y. Zhao, N. Khalid, G. Shu, M.A. Neves, I. Kobayashi, M. Nakajima // Food Hydrocolloids. – 2020. – Vol. 108. – P. 105977. – DOI: 10.1016/j.foodhyd.2020.105977.

7. Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г. Технологическое оборудование: расчет и проектирование. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2024. – 107 с. – ISBN 978-5-7782-5308-7. – EDN DEIRZT.

8. Recent advances in design and stability of double emulsions: trends in Pickering stabilization / E. Tenorio-Garcia, A. Araiza-Calahorra, E. Simone, A. Sarkar // Food Hydrocolloids. – 2022. – Vol. 128. – P. 107601. – DOI: 10.1016/j.foodhyd.2022.107601.

9. Emulsifier functionality and process engineering: progress and challenges / A.L.R. Costa, A. Gomes, C.C.P. Andrade, R.L. Cunha // Food Hydrocolloids. – 2017. – Vol. 68. – P. 69–80. – DOI: 10.1016/j.foodhyd.2016.10.012.

10. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Гибридное металлообрабатывающее оборудование: повышение эффективности технологического процесса обработки деталей при интеграции поверхностной закалки и абразивного шлифования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 312 с. – ISBN 978-5-7782-3690-5. – EDN PKBFNF.

11. Моделирование несущих систем технологических машин / Ю.И. Подгорный, В.Ю. Скиба, А.В. Кириллов, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 2 (63). – С. 91–99. – EDN SMYRYJ.

12. Исследование и выбор параметров при проектировании технологических машин / Ю.И. Подгорный, В.Ю. Скиба, Т.Г. Мартынова, О.В. Максимчук. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 260 с. – (Монографии НГТУ). – ISBN 978-5-7782-4177-0. – EDN VZWWWY.

13. Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г., Скиба В.Ю. Синтез технологических машин. Расчет и конструирование. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. – 240 с. – (Монографии НГТУ). – ISBN 978-5-7782-4912-7. – DOI: 10.17212/978-5-7782-4912-7. – EDN TVPPKR.

14. Flores P., Souto A.P., Marques F. The first fifty years of the mechanism and machine theory: standing back and looking forward // Mechanism and Machine Theory. – 2018. – Vol. 125. – P. 8–20. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.11.017.

15. Topology and dimension synchronous optimization design of 5-DoF parallel robots for in-situ machining of large-scale steel components / K. Chen, M. Wang, X. Huo, P. Wang, T. Sun // Mechanism and Machine Theory. – 2023. – Vol. 179. – P. 105105. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2022.105105.

16. Eckhardt H.D. Kinematic design of machines and mechanisms. – 1st еd. – New York: McGraw-Hill, 1998. – 620 p. – ISBN 0070189536. – ISBN 978-0070189539.

17. Erdman A.G., Sandor G.N. Mechanism design: analysis and synthesis. – 4th ed. – Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2001. – 688 p. – ISBN 0130408727. – ISBN 978-0130408723.

18. Hsieh J.-F. Design and analysis of indexing cam mechanism with parallel axes // Mechanism and Machine Theory. – 2014. – Vol. 81. – P. 155–165. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2014.07.004.

19. Design of compliant mechanisms using continuum topology optimization: a review / B. Zhu, X. Zhang, H. Zhang, J. Liang, H. Zang, H. Li, R. Wang // Mechanism and Machine Theory. – 2012. – Vol. 143. – P. 103622. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.103622.

20. Dresig H., Vul'fson I.I. Dynamik der mechanismen. – Wien; New York: Springer, 1989. – 328 p. – ISBN 978-3-7091-9036-4. – DOI: 10.1007/978-3-7091-9035-7.

21. Фролов К.В. Теория механизмов и машин. – М.: Высшая школа, 1987. – 496 с.

22. Vulfson I. Dynamics of cyclic machines. – Cham: Springer International, 2015. – 390 p. – ISBN 978-3-319-12633-3. – DOI: 10.1007/978-3-319-12634-0.

23. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: учебник для втузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1988. – 640 с. – ISBN 5-02-013810-X.

24. Rothbart H.A. Cam design handbook. – New York: McGraw-Hill Professional, 2003. – 606 p. – ISBN 0071377573. – ISBN 978-0875841830.

25. Faxin L., Xianzhang F. The design of parallel combination for cam mechanism // Procedia Environmental Sciences. – 2011. – Vol. 10, pt. B. – P. 1343–1349. – DOI: 10.1016/j.proenv.2011.09.215.

26. Sateesh N., Rao C.S.P., Janardhan Reddy T.A. Optimisation of cam-follower motion using B-splines // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. – 2009. – Vol. 22 (6). – P. 515–523. – DOI: 10.1080/09511920802546814.

27. Myszka D.H. Machines & mechanisms: applied kinematic analysis. – 4th ed. – Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2012. – 376 p. – ISBN 0132157802. – ISBN 978-0132157803.

28. S&A – Expert system for planar mechanisms design / H. Varbanov, T. Yankova, K. Kulev, S. Lilov // Expert Systems with Applications. – 2006. – Vol. 31 (3). – P. 558–569. – DOI: 10.1016/j.eswa.2005.09.081.

29. Ondrášek J. The synthesis of a hook drive cam mechanism // Procedia Engineering. – 2014. – Vol. 92. – P. 320–329. – DOI: 10.1016/j.proeng.2014.12.129.

30. Mott R.L. Machine elements in mechanical design. – 5th ed. – Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2013. – 816 p. – ISBN 0135077931. – ISBN 978-0135077931.

31. Design and analysis of high-speed cam mechanism using Fourier series / C. Zhoua, B. Hua, S. Chen, L. Mac // Mechanism and Machine Theory. – 2016. – Vol. 104. – P. 118–129. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2016.05.009.

32. Тир К.В. Комплексный расчет кулачковых механизмов. – М.: Машгив, 1958. – 380 с.

33. Kinematic analysis of crank-cam mechanism of process equipment / Yu.I. Podgornyj, V.Yu. Skeeba, T.G. Martynova, N.S. Pechorkina, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 327. – P. 042080. – DOI: 10.1088/1757-899X/327/4/042080.

34. Проектирование кулачкового механизма с учетом технологической нагрузки и энергетических затрат / Ю.И. Подгорный, В.Ю. Скиба, А.В. Кириллов, О.В. Максимчук, П.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 2 (75). – С. 17–27. – DOI: 10.17212/1994-6309-2017-2-17-27.

35. Motion laws synthesis for cam mechanisms with multiple follower displacement / Yu.I. Podgornyj, V.Yu. Skeeba, A.V. Kirillov, T.G. Martynova, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 327. – P. 042079. – DOI: 10.1088/1757-899X/327/4/042079.

36. Фиалкова Е.А. Гомогенизация. Новый взгляд. – СПб.: ГИОРД, 2006. – 386 с. – ISBN 5-98879-032-1.

37. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 1: учебник для вузов / под ред. В.А. Панфилова. – М.: Высшая школа, 2001. – 703 с. – ISBN 5-06-004168-9.

38. Fomin A., Paramonov M. Synthesis of the four-bar double-constraint mechanisms by the application of the Grubler's method // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 150. – P. 871–877. – DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.034.

39. To the theory of mechanisms subfamilies / A. Fomin, L. Dvornikov, M. Paramonov, A. Jahr // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 124. – P. 012055. – DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012055.

40. Неклютин Д.А. Оптимальное проектирование кулачковых механизмов на ЭВМ. – М.: Алмата, 1977. – 215 с.

41. Тартаковский И.И. Некоторые задачи синтеза оптимальных законов движения // Машиностроение. – 1971. – № 2. – С. 39–43.