2. Резание

Под резанием понимают разделение первоначального продукта на части, в большинстве случаев имеющие определенную форму, размеры и качество среза. Применительно к пищевым продуктам резание должно осуществляться без образования отходов.

Условно различают два способа резания: статический - режущий инструмент перемещается перпендикулярно лезвию и скользящий - режущий инструмент перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям: перпендикулярно и параллельно лезвию. Первый способ называют рубкой, а второйрезкой.

Резание можно подразделить на три основных вида: резание пуансоном, резание резцом и резание ножом (Рис. 10).

Рис. 10. Виды резания:

а – пуансоном; б - резцом; в – ножом

Работа, затрачиваемая на резание, складывается из работы предварительного сжатия (первая стадия) и полезной работы (вторая стадия). В соответствии с формулой Горячкина:

.

Работа сжатия:

,

где – условный модуль сжатия материала лезвием ножа; – высота сжатого слоя;– первоначальная высота слоя материала.

Полезная работа:

,

где - усилие резания.

Усилие резания, отнесенное к единице длины ножа, называют удельным. Так, для моркови оно по результатам эксперимента составляет 1400-1600 Н/м, для свеклы - 900-1600 Н/м, для картофеля - 600-700 Н/м, парного мяса – 5000-8000 Н/м.

Теоретическим путем определение полной работы резания весьма затруднительно, так как условный модуль сжатия определяется только экспериментально. Значение зависит от технологических свойств материала, вида ножа, усилий, оказываемых на него, и других факторов.

Основным технологическим свойством материала при резании является его податливость разрезанию под действием режущего инструмента. Величину, обратную податливости, называют негоскальпическимсвойством материала.

Для конструирования резательных машин и устройств, а также для выбора наиболее выгодной геометрии режущей кромки инструмента необходимо знать зависимость усилий резания от толщины ножа, формы и угла заточки кромки. Помимо этого, геометрия режущего инструмента значительно влияет на гладкость среза.

Резание пищевых материалов обобщено А.Н.Даурским и Ю.А.Мачихиным [3], которые рассматривают отдельно резание пластинчатым, дисковым ножами и струной. В бытовой кухонной технике наиболее часто применяют первые два способа.

В приведенных ниже моделях резания авторы [3] делают ряд допущений:

1) разрезаемый материал однороден;

2)нож движется с постоянной скоростью;

3) прилегающие к наклонным граням слои материала перемещаются в перпендикулярном направлении к плоскости ножа и стеснены в перемещении;

4) материал обладает упругими свойствами;

5) коэффициент трения ножа о разрезаемый материал постоянный.

1. Резание пластинчатым ножом

В основу модели положена следующая схема сил, препятствующих внедрению ножа в материал при действии на него движущей силы (Рис. 11).

Рис. 11. Схема действия сил в модели резания материала

К препятствующим силам относятся:

1. - сила, приложенная к острию ножа. Она постоянна, зависит от негоскальпических свойств материала, остроты заточки инструмента, пропорциональна длине резанияLи определяется только экспериментально.

2. - сила, приложенная к наклонной грани ножа. Она является силой сопротивления материала раздвижению слоев в направлении, перпендикулярном к оси ножа. Эта сила изменяется от (в момент врезания) до (в момент, когда вся наклонная грань ножа войдет в материал). По закону Гука сила, деформирующая образец по нормали к наклонной грани ножа, составляет:

,

где - модуль упругости разрезаемого материала; - длина сжимаемых слоев материала в направлении оси .

При полном врезании наклонной грани .

3. - сила трения на наклонной грани ножа. Она определяется как , где - коэффициент трения материалов.

4. - сила трения на боковой поверхности ножа. Она определяется как, где - сила, приложенная к боковой поверхности ножа со стороны сжатых слоев материала. Эта сила изменяется от (в момент вхождения боковой поверхности ножа в материал) до (в момент, когда нож войдет в материал полностью на всю ширину лезвияh). По закону Гука .

При полном врезании ножа , а.

5. - сила инерционного сопротивления раздвигаемых при резании слоев материала, которая определяется по формуле:

,

где - масса перемещаемого при резании материала; - скорость движения ножа; - время резания.

В расчетах вместо полной силы удобнее пользоваться удельной силой, отнесенной к длине резания (). Приняв это во внимание и разложив полную силу резания на составляющие, получим описание процесса резания для ножа с двусторонней заточкой, графически представленное на Рис. 12.

Рис. 12. Графическая интерпретация модели резания

1-й этап. При нарастании удельной силы резания от 0 до внедрения ножа в материал не происходит:.

2-й этап. При нарастании удельной силы от до , где

, происходит внедрение в материал наклонных граней ножа.

3-й этап. При нарастании удельной силы от до , где, происходит внедрение в материал ножа на всю ширину лезвия.

4-й этап. Резание с постоянной силой:

.

Нож всей шириной лезвия находится внутри разрезаемого материала.

На 4-м этапе резания полное уравнение имеет вид:

,

где - удельная (отнесенная к единице площади разреза) приведенная масса пришедшего в движение материала.

Формула содержит три параметра, определяемых экспериментально: , и . Модель предполагает их постоянство для одного и того же образца материала, т.е. не учитывает возможную неоднородность разрезаемого пищевого продукта.