Горлатов А.С.

Калининградский государственный технический университет, Россия

Расчет механизма автоматической настройки рабочего органа рыборазделочной машины на размер обрабатываемой рыбы

           Применение механизмов автоматической настройки рабочих органов повышает эффективность работы рыборазделочных машин, обеспечивая возможность разделки несортированной по размерам рыбы и снижая при этом потери пищевого рыбного сырья [1, 2].

           Многообразию технологических операций при разделке рыб различных видов соответствует большое число исполнительных механизмов, обеспечивающих настройку рабочих органов на размер обрабатываемого сырья. Различают две категории таких механизмов: механизмы самонастройки, которые настраивают рабочие органы непосредственно под действием на них самой рыбы через промежуточные звенья [3], и механизмы настройки, оснащенные блоками памяти [4], последние хранят результаты обмера каждого экземпляра рыбы в виде линейной или угловой координаты в течение определенного времени (в зависимости от числа механизмов памяти в блоке). Механизмы настройки с блоками памяти обеспечивают воздействие рабочего органа на рыбу со смещением во времени относительно операции ее обмера.

           Большой практический интерес представляют собой те из механизмов самонастройки, которые, отличаясь простотой кинематической цепи, способны эффективно функционировать при обработке сырья различных видов или различных размерных фракций рыб одного вида. Использование в новых рыборазделочных машинах уже известных и хорошо зарекомендовавших себя механизмов самонастройки рабочих органов – это аспект не только экономический, но и социальный.

           Проведем исследование механизма самонастройки ножа для перерезания кишки, который применен в машине для разделки рыбы Н2-ИРА 107. Машина предназначена для разделки на тушку дефростированной или охлажденной рыбы: скумбрии, ставриды, сардинеллы, сельди, хека, помолобуса, пикши, аргентины, сайды и морского налима. Длина обрабатываемой рыбы от 240 до 400 мм [5]. Механизм приводится в движение от соприкосновения с обмеряемой рыбой, под действием которой нож настраивается на линию реза.

           Кинематическая схема механизма представлена на рис. 1. Механизм состоит из коромысла 1 и кинематически связанного с ним рычага 2. Коромысло шарнирно связано со стойкой (точка О), на его свободном конце жестко закреплен щуп 3 для взаимодействия с рыбой. Концевая часть коромысла со стороны щупа выполнена в виде вилки 4. Рычаг 2 имеет изогнутую форму, один конец его связан со стойкой (точка О1), на свободном конце рычага закреплен нож 5. Рычаг снабжен осью (точка А) с насаженным на ней роликом 6,  последний сопряжен с вилкой 4 коромысла 1.

           Механизм работает следующим образом. Начальное (исходное) положение механизма соответствует положению ножа 5 при нахождении под щупом 3 рыбы минимальной длины в данной размерной фракции. При подаче под щуп рыбы большего размера (i-того для данной фракции) щуп поднимается на высоту H. При этом коромысло 1 оказывается в положении ОА1, а рычаг 2 в положении ОА1N1 и нож сместится влево от исходного положения на расстояние S, равное S2 – S1 (рис. 2). Это положение ножа будет соответствовать его положению на линии реза рыбы  i-й длины, при дальнейшем движении которой выполняется операция перерезания кишки.

           Следует отметить, что такая самонастройка ножа обеспечивается лишь при условии, если размеры звеньев механизма выбраны с учетом морфометрических характеристик обрабатываемого сырья, т.е. с учетом взаимосвязи параметров обмера рыбы и ее обработки.

           Поскольку кинематически связанные коромысло 1 и рычаг 2 совершают поворотные движения относительно центров их качания (точки О и О1), введем прямоугольную систему координат XY с центром в точке О. Координаты центра О1 принимаем конструктивно, пусть абсцисса точки О1 – а, ордината – b.

           Для коромысла 1 в положении ОА1 можно записать

                                                                                                               (1)

При этом из треугольника ОmА1 имеем

                                                                                                                  (2)

           где α – угол поворота коромысла при подъеме щупа 3 на высоту H;

                  L – длина коромысла;

                  h и x – соответственно ордината и абсцисса точки А1.

С учетом того, что угол α мал, для (1) и (2) можно записать

                                                                                             (3)      

Следовательно, имеем уравнение прямой ОА после поворота ее на угол α, в котором два неизвестных.

           Точка А рычага 2 при повороте последнего описывает дугу окружности радиуса r = О1А, центр которой не совпадает с началом координат.

             Уравнение такой окружности имеет вид

                                                                                               (4) 

 Совместным решением уравнений (3) и (4) определим координату   точки А1, лежащей на прямой (3). После раскрытия скобок в (4) и подстановки получено квадратное уравнение

                                  (5)

Введя обозначение членов, из (5) получаем

                                                                                                      (6)

           Следовательно,                                                                 (7)

           Зная абсциссу точки А1, можно вычислить угол поворота рычага 2, определяющий положение ножа (точка N1) при подъеме щупа 3 на высоту Н. Соответственно такому условию запишем

                                                                                   (8)

           где β – угол, соответствующий положению плеча А1О1 рычага 2 относительно вертикали при подъеме щупа 3 на высоту Н,

           Угол поворота рычага 2 относительно его начального положения составит  или

                                                                            (9)

           где δ – угол исходного положения плеча АО1 рычага 2;

                 S1 – расстояние, определяющее исходное положение ножа от верти-

                          кали, проходящей через центр качания рычага 2;

                 R – радиус О1N, равный удалению ножа от центра его качания.

           Для ножа 5, закрепленного на свободном конце рычага 2, будем иметь  или

                                                  (10)

           где φ – угол, характеризующий положение ножа 5  при подъеме щупа 3

                         на высоту Н;

                  δн – угол,      характеризующий     исходное      положение      ножа,

                          

           Удаление ножа от базовой вертикали составит

                                                                                (11)

           Углы δ и δн остаются постоянными, они зависят от размеров и взаимного расположения коромысла 1 и рычага 2 в кинематической цепи устройства. Поэтому для определения угла φ в соответствии с равенством (10) необходимо определить угол β в функции аргумента х, представленного выражением (7). При расчете х следует иметь в виду, что величины а, b, L и r являются константами схемы, а величина Н = var.

           При подъеме щупа на высоту Н расстояние от ножа (точка N1) по нормали  к  прямой  АД,  определяющей  исходное   положение  ножа,  составит

          

                                                                                 (12)

           Таким образом, получена зависимость для определения функции

           S = f(Н).                                                                                                        (13) 

           Рассмотрим пример реализации зависимости (13) механизмом с заданными значениями геометрических параметров, мм. Пусть а = 300, b = 70, L = 340, r = 90, R=240.

           Найдем значения углов  β,  δ  и δн. Для расчета угла β определим величину х.    Из   выражения  (7)    для     Н = 10 мм    при    значениях   

 получаем           Искомый     угол   составит т.е. δ = 39º. Параметр схемы механизма S1 составит S1 = r sin δ = 90sin 39º =56,6. Величина угла δн будет равна δн = 13º 30'. Следовательно, рассматриваемый механизм при подъеме щупа на 10 мм обеспечивает перемещение ножа на величину, равную      

 мм. Отношение аргумента Н к полученному по формуле (12) значению функции S в идеале должно удовлетворять равенству

            ,                                                                                                 (14)  

           где В – параметр, по которому  едется   обмер рыбы, например, толщина

                         в зоне сопряжения головы с тушкой;      

                  – параметр, по  значению   которого настраивается нож для отреза-

                         ния кишки;

                  Кi – морфометрическая   характеристика   (коэффициент подобия), в

                           любом размерном диапазоне для рыб одного вида Кi = const.

           Величина S является сложной функцией

           .                                                                                       (15)

           В зависимости  от  геометрических параметров механизма самонастройки она может достигать различных значений при одинаковых значениях отношения . Приемлемым  для  эффективной  обработки  рыбы  данного вида  является  механизм  наиболее  полно  соответствующий  реализации  выражения

           .           (16)

Варьируя значения одного или нескольких геометрических параметров механизма самонастройки при , можно в процессе проектирования выбрать механизм, удовлетворяющий выражению (16).

           Очевидно, что точность самонастройки механизма на отрезание будет зависеть от точности достижения функции S. Запишем полный дифференциал функции [6]

           .                                           (17)

После замены знаков дифференциала знаками первичных ошибок, которые имеют место при оценке аргументов функции, получено

           .                                         (18)

           Частные производные при ошибках соответственно представляют

                                     (20)

 ,                                                (21)

(22)

         Зная частные производные при известных значениях первичных ошибок, можно определить фактическое значение искомой функции

,                                                                                                  (24)

где S – значение функции, вычисленное по номинальным значениям ар-

             гументов (без учета первичных ошибок);

       ΔS –  максимальная ошибка в определении функции, соответствую-

                щая выражению (18).

Выводы. Получены зависимости, которые дают возможность, варьируя значениями геометрических параметров механизма самонастройки, вести его переналадку на обработку рыбы различных видов.

Для мобильности устройства при переналадке необходимо обеспечить возможность оперативного регулирования его размерной цепи.

В анализируемом механизме значение выходного параметра представляет собой сложную функцию, которая является отражением, по меньшей мере, пяти независимых переменных.

Литература:

1. Пазенко В.Т. Механизмы автоматической настройки рабочих органов рыборазделочных машин. – М.: Пищ. пром-сть, 1966. – 64 с.

2. Терентьев А.В. Основы комплексной механизации обработки рыбы. – М.: Пищ. пром-сть, 1969. – 432 с.  

3. Горлатов А.С., Друсейк А.К., Власова М.В. Выбор механизмов настройки рабочих органов при проектировании рыборазделочных машин // Техника и технология тепловой обраб. пищ. продуктов: Сб. науч. тр. КТИРПХ. – Калининград, 1984. – Вып. 101. – С. 74-78.

4. Горлатов А.С., Друсейк А.К., Мазовецкий И.Э., Баюра Н.Д. Некоторые аспекты настройки рабочих органов рыборазделочных машин // Тхнол. процессы и оборуд. рыбообрабатывающих предпр.: Сб. науч. тр. КТИРПХ. – Калининград, 1982. – Вып. 98. – С. 22-34.

5. Оборудование рыбной промышленности. Отраслевой каталог. – М.: ЦНИИТЭИРХ. – 1982. – Вып. 24.

6. Горлатов А.С., Сухомлин С.А. Механизм самонастройки ножа головоотрезающей машины для рыбы. Точность самонастройки // Применение холода в пищевых производствах: Тез. докл. Всероссийского н.-т. семинара с междунар. участием (31 мая – 4 июня 1999 г.). – КГТУ. – Калининград, 1999. – С. 59-61.

 

 

Рис. 1 – Кинематическая схема механизма

 самонастройки ножа рыборазделочной машины

 

 

Рис. 2 – Схема текущего положения

 механизма самонастройки