автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Интенсификация сбивания сливочного масла роторно-лопастным рабочим органом маслоизготовителя периодического действия

9 15-5/782

На правах рукописи

Полывяный Юрий Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СБИВАНИЯ СЛИВОЧНОГО МАСЛА

РОТОРНО-ЛОПАСТНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пенза -2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Парфенов Виктор Степанович

Официальные оппоненты: Чеботарев Евгений Алексеевич

доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», профессор кафедры «Строительство»

Курдюмов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и энергетика»

Ведущая организации Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина» (ФГБОУ ВПО «ВГМХА им. Н.В. Верещагина»)

Защита состоится 16 октября 2015 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и на сайте http://pgsha.periza.net/.

Автореферат разослан «2(5 » августа 2015 г.

Ученый секретарь I 0

диссертационного совета (чхаЛ^^^ Мачнев A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость увеличения производства сливочного масла в России прописана Постановлением Правительства РФ от 14 июля 2012 г. № 717 «О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы» (с изменениями и дополнениями) в паспорте подпрограммы 2 «Развитие подотрасли животноводства, переработки и реализации продукции животноводства».

На современном этапе производства сливочного масла актуальным для маслодельной отрасли остается вопрос сохранения традиционных технологий, позволяющих выпускать разнообразные виды масла из коровьего молока, а также применение инновационных технологий, способствующих интенсификации процесса сбивания. Важным фактором для получения качественного продукта является использование современного маслодельного оборудования, позволяющего при минимальной энергоемкости сбивания получить максимальное количество готового продукта.

Один из научных подходов при сбивании сливочного масла - явление «Бегущая волна». Бегущая волна, как фактор сбивания сливочного масла, образуется при вращении роторно-лопастного рабочего органа и способствует сокращению энергоемкости сбивания.

Степень разработанностн темы. В настоящее время разработаны устройства для изготовления сливочного масла различных типов конструкций: с вращающимися емкостями, не оснащенными дополнительными перемешивающими устройствами; с враг щающимися емкостями, оснащенными жестко закрепленными билами; с неподвижно закрепленными емкостями и вращающимися рабочими органами.

Сбивание сливочного масла на известных конструкциях маслоизготовителей периодического действия является продолжительным. Поэтому необходимо разработать такую конструкцию маслоиз готовите ля периодического действия, которая интенсифицирует процесс за счет бегущей волны, образуемой роторно-лопастным рабочим органом.

Работа проводилась по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (тема №32 «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства») и инновационного проекта «У.МКИ.К.» (г. Пенза, 2014 г.) по теме «Разработка инновационных технических средств для производства сливочного масла».

Цель исследований — интенсификация сбивания сливочного масла роторно-лопастным рабочим органом маслоиз готовите ля периодического действия, способствующая снижению энергоемкости сбивания сливочного масла за счет бегущей волны, образуемой роторно-лопастным рабочим органом.

Задачи исследований:

1. Разработать конструкцию маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом.

2. Разработать роторно-лопастной рабочий орган маслоизготовителя периодического действия, теоретически обосновать его конструктивные и кинематические параметры.

3. Разработать и изготовить экспериментальный образец маслоизготовителя периодического действия и выполнить лабораторные исследования по определению конструктивных и кинематических параметров роторно-лопастного рабочего органа.

4. Провести исследования опытного образца маслоизготовителя периодического действия в производственных условиях, определить технико-экономические показатели использования маслоизготовителя на производстве.

Объект исследований — процесс сбивания сливочного масла роторно-лопастным рабочим органом маслоизготовителя.

Предмет исследований — показатель, оценивающий сбивание сливочного масла.

Научная новизна:

- закономерности движения сбиваемых сливок в маслоизготовителе периодического действия и теоретическое обоснование конструктивных (количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа, ширина лопасти роторно-лопастного рабочего органа, объем межлопастного пространства роторно-лопастного рабочего органа, объем сливок, перемещаемый за один оборот роторно-лопастного рабочего органа) и кинематических (частота вращения роторно-лопастного рабочего органа, коэффициент заполнения емкости) параметров маслоизготовителя;

- конструкция роторно-лопастного рабочего органа маслоизготовителя периодического действия;

- оптимальные конструктивные и кинематические параметры роторно-лопастного рабочего органа маслоизготовителя периодического действия;

- оптимальное значение энергоемкости сбивания сливочного масла.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2491813 «Маслоизготовитель периодического действия».

Практическая значимость работы. Применение маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом снижает энергоемкость сбивания на 24% по сравнению с серийно-выпускаемым ЭМБ-01 «Салют».

Предлагаемый маслоизготовитель внедрен в СПК «Родина Радищева» Кузнецкого района и ОАО «Камешкирский сырзавод» Камешкирского района Пензенской области.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости по определению количества лопастей роторно-лопастного рабочего органа, ширины лопасти роторно-лопастного рабочего органа, объема межлопастного пространства роторно-лопастного рабочего органа;

- конструкция маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом с оптимальными значениями конструктивных и кинематических параметров;

- числовое значение показателя (энергоемкость сбивания), характеризующего интенсификацию сбивания сливочного масла маслоизготовителем периодического действия, оснащенным роторно-лопастным рабочим органом.

Реализация результатов исследований. Маслоизготовитель периодического действия прошел производственную проверку в СПК «Родина Радищева» Кузнецкого района и ОАО «Камешкирский сырзавод» Камешкирского района Пензенской области в 2014 году.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается сходимостью теоретической и экспериментальной энергоемкости, использованием современных технических средств измерения.

Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011... 2014 гг.), ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2013 г.), ФГБОУ ВПО «Рязанский ГАТУ им. П.А. Костычева» (2013 г.).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, в рамках научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К» (договор № 2958 ГУ 1 / 2014 от 29.07.2014 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях, без соавторов опубликованы 6 статей. Общий объем публикаций 4,18 пл., из них автору принадлежит 1,68 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 175 наименований и приложения на 46 с. Общий объем диссертации составляет 174 е., содержит 32 рис. и 14 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса производства сливочного масла» приведен анализ существующих способов и технических средств для производства сливочного масла, современное состояние производства сливочного масла, классификация оборудования для изготовления сливочного масла.

Основные положения теории образования масляного зерна, предлагаемые учеными, имеют в своей основе различную сущность, а иногда и противоречивость, показывая при этом более или менее стабильное представление о характерах явлений этого процесса.

В исследование данного процесса значительный вклад внесли: Р.П. Асейкин, H.H. Белянчиков, П.Л. Гордиенко, О.Г. Котова, В.И. Курдюмов, A.A. Курочкин, Г.А. Кук, В.Г. Куленко, С.А. Лазуткина, B.C. Парфенов, Е.В. Раттур, ЮЛ. Свириденко, Е.А. Чеботарев, Е.В. Топникова, В.Н. Туваев, A.B. Яшин и многие другие.

Анализ существующих конструкций маслоизготовителей показывает, что сбивание сливочного масла сопровождается высокой энергоемкостью и низкой производительностью вследствие длительности процесса от получаса до двух часов.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование основных конструктивных н кинематических параметров маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастиым рабочим органом» разработана и обоснованы конструкция маслоизготовителя периодического действия, а так же конструктивные и кинематические параметры ро-торно-лопастного рабочего органа маслоизготовителя периодического действия.

Для интенсификации сбивания сливочного масла предлагается маслоизготовитель (рисунок 1), состоящий из цилиндрической горизонтально расположенной емкости 1. При этом емкость 1 имеет возможность поворота на 180° относительно своей оси из рабочего положения при сбивании сливочного масла в положение выгрузки и, наоборот, по направляющей 15, расположенной на раме 9 и емкости 1, между которыми размещены ролики 14. Фиксация емкости 1 в положении при сбивании сливочного масла и его выгрузки производится фиксаторами 13. Механизм сбивания 4 расположен с эксцентриситетом относительно оси емкости 1 и выполнен для подачи газа в виде полого роторно-лопастного рабочего органа с отверстиями 5. Отношение эксцентриситета оси роторно-лопастного рабочего органа относительно оси емкости к диаметру емкости составляет ejdt = 0,15...0,25, отношение диаметра ротора по делительной окружности замкнутого синусоидального профиля к диаметру емкости - 0,35...0,4.

Для подачи газа имеется нагнетательный трубопровод 11, а для отвода избыточного газа из емкости I - выпускной клапан 3. Поперечное сечение роторно-лопастного рабочего органа 4 имеет замкнутый синусоидальный профиль, средней линией которого является окружность. Для снижения трудоемкости выгрузки предусмотрен выгрузной шнек 6 с равномерно уменьшающимся шагом витков по ходу выгрузки сливочного масла, что способствует доведению структуры масляного пласта до однородного состава и нормализации по влаге. Он закреплен в выгрузном канале 7 и установлен под углом. На боковой поверхности емкости, выше ее оси, установлен загрузочный люк 10, выполненный

из прозрачного материала с целью визуализации маслообразования, а также подачи сливок перед сбиванием и воды перед промывкой сливочного масла.

1 — емкость; 2 - привод; 3 - клапан выпускной; 4 -роторно-лопастной рабочий орган; 5 - отверстие; б - шнек выгрузной; 7-канал выгрузной; 8 - привод;

9-рама; 10-люкзагрузочный; 11 - трубопровод нагнетательный;

12 —устройство управления; 13 — фиксатор; 14-ролик;

15 — направляющая; 16 — кран Посредством устройства управления 12 и привода 8 роторно-лопастной рабочий органа 4 приводится во вращение. В нижней части емкости 1 установлен кран 16 для слива пахты. Выгрузной шнек 6 приводится во вращение от привода 2.

Принцип работы данного устройства заключается в следующем. Через загрузочный люк 10 емкость 1 заполняют сливками на 40...80% от ее объема. После этого загрузочный люк 10 закрывают. Затем посредством устройства управления 12 и привода 8 ротор механизма сбивания 4 приводится в движение с требуемой частотой вращения. По нагнетательному трубопроводу 11 осуществляют подачу газа.

При вращении роторно-лопастного рабочего органа 4 сливки активно перемешиваются (рисунок 2), образуя три потока волны.

Первый поток волны, огибающий поперечное сечение профиля роторно-лопастного рабочего органа, вытесняет сливки в толщу потока. В результате интенсивного волнового движения первого потока образуется второй поток волны, промежуточный, который подпитывает третий поток волны. Третий шток волны в результате вращения роторно-лопастного рабочего органа откачивает сбиваемые сливки назад, в связи с чем образуется бегущая волна, которая собственно и приводит к разрушению белковой оболочки частиц жира и их слипанию, т. е. к образованию масляного зерна

«Бегущая волна» заставляет двигаться слой сливок по образующей роторно-лопастного рабочего органа. С ростом окружной скорости сливок сопротивление на их перемешивание уменьшается, а при достижении равенства окружной скорости бегущей волны и сливок оно значительно сокращается, что и приводит к уменьшению сопротивления на вращение механизма сбивания. Однако, чтобы такое течение реализовалось, необходимо согласование окружной скорости движения роторно-лопастного рабочего органа и окружной скорости волны, так как бегущая волна способна не только уменьшать, но и увеличивать сопротивление. Если окружная скорость движения волны меньше половины окружной скорости движения роторно-лопастного рабочего органа, то сопротивление последней больше сопротивления гладкой поверхности. С дальнейшим ростом

окружной скорости волны сопротивление уменьшается, и при равенстве окружных скоростей роторно-лопастного рабочего органа и волны оно становится меньше сопротивления гладкой поверхности. Одновременно с этим сливки подвергаются барботированию газом, что способствует интенсивному ценообразованию и ускорению процесса образования масляного зерна. В процессе воздействия газа образуются пустоты в результате разрыва потока при критической скорости в местах пониженного давления. Происходит появление новых поверхностей раздела внутри объема сливок. Жировые шарики поначалу выделяются на вновь образующуюся поверхность раздела, а затем происходит обрушение полости потоками жидкости повышенного давления. При этом конденсируются пары и растворяются газы. Избытки воздуха удаляются из емкости 1 через выпускной клапан 3. После получения масляного зерна привод 8 отключают и открывают кран 16 для слива пахты. Затем кран 16 закрывают и заливают через загрузочный люк 10 в емкость 1 воду для промывки масляного зерна, приведя во вращение ротор 4 посредством привода 8 и устройства управления 12 с необходимой частотой вращения. После промывки масляного зерна привод 8 отключают и открывают кран 16 для слива воды. Затем маслоизготовитель устанавливают в положение вьггрузки сливочного масла, повернув его на 180° относительно своей оси из рабочего положения по направляющей 15, расположенной на раме 9 и емкости 1, между которыми размещены ролики 14 и закрепляют фиксаторами 13. Приводят во вращение выгрузной пшек 6 посредством привода 2 и производят выгрузку масляного зерна. Благодаря переменному шагу навивки выгрузного шнека 6 масляное зерно, проходя по выгрузному каналу 7, подвергается дополнительной механической обработке, что способствует доведению масляного пласта до однородной

структуры сливочного масла.

Таким образом, разработанная нами конструкция маслоизготовите-ля по сравнению с существующими аналогами позволит уменьшить длительность сбивания масла, повысить производительность и снизить энергоемкость сбивания.

Поперечное сечение роторно-лопастного рабочего органа в виде замкнутого синусоидального профиля, средней линией которого является окружность, описывается в полярной системе координат уравнением (1):

Рисунок 2 - Схема движения сливок по профилю роторно-лопастного рабочего органа: 1 - первый поток волны; 2 — второй поток волны;3 — третий поток волны; со - угловая скорость механизма сбивания

dp

р sin(fc'ip)

(1)

синусоиды, м;

где р - радиальная координата, м; А - амплитуда к — количество периодов синусоиды; <р - угловая координата, рад.

Вращаясь, роторно-лопастной рабочий орган интенсивно перемешивает сливки (рисунок 3). Сливки, оказавшись в межлопастном пространстве ротора, перемещаются со скоростью, равной или близкой к скорости лопастей ротора. Под воздействием вращающегося роторно-лопастного рабочего органа возникает область, в которой сливки движутся, образуя активный поток. Этот поток по форме напоминает концентричный с ротором кольцеобразный поток 50.

Влияние размера и скорости ротора, числа лопастей ротора на действительную толщину 50 активного потока можно проследить по изменению приведенной толщины 6

того же слоя. Толщина 8 отличается от 80, но при некоторых условиях отношение 8 $0 сохраняется постоянным.

Пусть Ь - рабочая длина роторно-лопастного рабочего органа, м, а со — средняя угловая скорость сливок, с"1, тогда объем сливок, захватываемый указанным сечением за секунду, составит:

V = 1-60-о),

где V — объем сливок, захватываемый указанным сечением за секунду, м3; 80 — толщина активного потока сливок, м.

Тот же объем пройдет и через сечение заданного активного потока приведенной толщины:

£ ■ 50 • со = £ ■ 8 • !?р,

где 1?р — средняя линейная скорость роторно-лопастного рабочего органа, с"'; 8 - приведенная толщина потока сливок, м.

Исходя из этого справедливо соотношение:

80 ■ (о = 8 •■в.

р>

(2)

Постоянство соотношения толщины 8 80имеет место при условии постоянства отношения угловой скорости со 1?р, а последнее имеет место при сохранении скорости со в любом сечении потока.

Пусть скольжение сливок в межлопастном пространстве ротора отсутствует, тогда их скорость одинакова со скоростью ротора. Для частицы сливок, находящейся на расстоянии х от поверхности ротора (вершины лопасти) скорость будет ниже, а на расстоянии 8о она будет равна нулю.

Так изменение угловой скорости сливок в сечении будет функцией х, т.е.

«-/(*)

Функция/(х) - убывающая и удовлетворяет условию: при х = 0 ш = 1?р,

при х = 50 со = 0.

Определим среднюю угловую скорость сливок по выражению:

Рисунок 3 - Схема работы роторно-лопастного рабочего органа: 1 - первый поток волны; 2 - второй поток волны.З — третий поток волны

А °0 с 1

(4)

скоростей

Так как вид функции неизвестен, зададимся параболой г - ого порядка:

Получившаяся закономерность распределения (4) угловых в сечении удовлетворяет выше указанным условиям функции/(зс). Показатель; - положительное число, не равное нулю.

Воспользовавшись закономерностью (4), определим среднюю угловую скорость сливок со по выражению (3):

Из выражения (5) следует:

— — -1— —

1»р ~~ £+1 _ 60

Таким образом, если в различных сечениях сохраняется характер распределения скоростей, то сохраняется и отношение угловых скоростей ш ^независимо от действительной толщины слоя.

Исходя из этого, постоянство отношения (2) является достоверным.

Выражение (5) показывает, что изучить влияние на 5й таких факторов, как размер ротора, формы и числа периодов синусоиды, скорости вращения роторно-лопастного рабочего органа можно по наблюдению за изменением величины 5.

(6)

где п — частота вращения роторно-лопастного рабочего органа, мин'1.

Исходя из размеров ротора, можно определить его рабочий объем /ра6.

Так как приведенная толщина слоя 6 обусловлена скоростью сливок, равной скорости роторно-лопастного рабочего органа, то объем сливок, перемещенный за один оборот роторно-лопастного рабочего органа, определится объемом межлопастного пространства и объемом активного слоя Ц,к:

Ураб = И, + Уак (7)

Задавшись параметрамиполучим

= (8) где 5- площадь сечения каждой лопасти ротора, м2; х- число лопастей роторно-лопастного рабочего органа

Если угловая скорость сливок ш равна угловой скорости роторно-лопастного рабочего органа (ор, то объем сливок, проходящих через сечение 6 £ активного слоя за одну секунду, составит:

V = 6 ■ /. ■ 0р.

Если роторно-лопастной рабочий орган вращается с частотой п, мин то объем сливок, прошедших в активном слое за один оборот роторно-лопастного рабочего органа, составит:

Как = 5-£-йрт,

где т = " - время одного оборота роторно-лопастного рабочего органа, с.

Учитывая, что = получим: ' 60

Уж = к-<1-8-1. (9)

Тогда рабочий объем ротора с учетом выражений (8) и (9) составит:

Ура6 = г-5- Ь + = + (10)

Уравнение (10) показывает, что рабочий объем Ураб зависит как от дайны роторно-лопастного рабочего органа Ь, так и от толщины слоя 5.

Разобьем лопасть роторно-лопастного рабочего органа на участки &, /¿, Ю и построим профиль лопасти, задавшись следующими параметрами:

а- угол пересечения прямых, проведенных из точки Оь рад; а - расстояние, на которое точка 0\ смещена относительно центра О, м; г - радиус замыкающей дуги профиля лопасти с центром 02, расположенный на осевой линии 05 этого профиля, м; Ь - ширина лопасти роторно-лопастного рабочего органа, м; 0 — центральный угол, соответствующий ширине межлопастного пространства ротора, рад.

Для определения количества лопастей роторно-лопастного рабочего органа необходимо знать значение центрального угла р, соответствующего ширине лопасти роторно-лопастного рабочего органа Ь.

Для этого проведем перпендикуляр Р (рисунок 4) из центра роторно-лопастного рабочего органа О на прямую АЕК.

пт, л ■ -i

О Кsin у= asm - a

Следовательно:

-a . i

sin у = 2-sin ^a Из треугольника AOOi видно: Y =ка~Ю

Рисунок 4 — Поперечное сечение ротор-но-попастного рабочего органа с тремя лопастями

(11) (12)

Подставив выражение (12) в выражение (11), получим:

81п|(«-/?) = 2§ып^а (13)

Следовательно значение центрального угла /? с учетом выражения (13) примет вид:

/? = а— 2агс5т(2^т^а) (14)

Тогда число лопастей роторно-лопастного рабочего органа составит:

Ширина лопасти роторно-лопастного рабочего органа, измеренная по хорде АС будет равна:

Ь = Й 51П±/?. (16)

Площадь сечения 5 каждой из лопастей состоит из трех частей: St, S2 и 53,

где Sj - площадь сегмента, отсекаемого хордой EE¡ от круга радиуса г, м2;

г2

si = ~ n-a-sinn-a .

52 - площадь сегмента, отсекаемого хордой ЛСот круга радиуса ^ d, м2;

S2=f p-smp .

53 - площадь трапеции, ограниченной хордой АС и ЕЕи с высотой h, м2. Хорды АС — b-, ЕЕ1 =2г costar

(17)

(18)

53=-

■h.

Высота трапеции составляет:

h = OS' - OS". OS'= а + 0t5' = a + -

„ rcos-a

OS" = a + —

ft—2r COS--IÍ h =-?—

Тогда площадь трапеции 53 составит:

(i+2rcosija) (b-2rcos|a) b2-*r2cos2±a -:—í-i.i-,_iJ=-j—(19)

Площадь сечения 5 волны:

5 = Si + S2 + S3 . (20)

Площадь сечения 5 волны (20) с учетом выражений (17), (18) и (19) примет вид:

r2 ¿i b2-4r2cos2^a

S = — (я — а — sin я — а )+—/? — sin/? +-j——. (21)

2 8 btn-чх

Тогда объем межлопастного пространства ротора (8) с учетом уравнения (21) будет равен:

гг аг b2-4r2COS2hz

ys=z-[-(rc-a-sin п-а p-sinfi +-т—(22)

2 8 4tn-^a

Объем сливок, перемещаемый за один оборот ротора (10), с учетом выражения (6), (15) и (21) будет равен:

г2 ¿2 Ь2-4 r2cos2^a

— п~а )+Т P-slnp +-—г—*- + Tfd-6)-L. (23)

2 в 4СП^Е

От объема сливок, перемещаемого за один оборот ротора, зависит энергоемкость сбивания:

E = NjQ, (24)

где Nv — мощность привода, Bt,Q — производительность сбивания, кг / ч.

Мощность привода определим по выражению:

N^N+Nn, (25)

где N - мощность, потребляемая маслоизготовителем, Вт; N„— мощность затрачиваемая маслоизготовителем на холостом ходу, Вт.

Мощность, потребляемая маслоизготовителем в результате вращения роторно-лопастного рабочего органа, определяется по выражению:

N= \,5 -г ■ с ■ р ■ а? ■ b • dr4, (26)

где г - количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа; с - коэффициент сопротивления роторно-лопастного рабочего органа, с = 0,61; р - плотность сливок, кг / м3; си - угловая скорость роторно-лопастного рабочего органа, с'1; Ь - ширина лопасти ро-торно-лопастного рабочего органа, м; dp — диаметр роторно-лопастного рабочего органа, м.

Мощность, затрачиваемая маслоизготовителем на холостом ходу, определяется по выражению:

jV„=0,15-W (27)

Тогда мощность привода с учетом выражений (25) и (27) составит:

ЛГ„=1,15ЛГ (28)

Производительность маслоизготовителя:

Q = m/1, (29)

где т - масса полученного масла за цикл, кг; t - время цикла, ч.

Таким образом, разработанная методика позволяет определить количество лопастей роторно-лопасгного рабочего органа, ширину лопасти роторно-лопастного рабочего органа, объем межлопастного пространства роторно-лопастного рабочего органа, объем сливок, перемещаемый за один оборот роторно-лопастного рабочего органа.

Расчетные конструктивные параметры маслоизготовителя периодического действия приведены в таблице 1.

Таблица I - Расчетные конструктивные параметры роторно-лопастного рабочего органа маслоиз готовителя периодического действия___

№ п/п Показатели Обозначение Размерность Значение

1 Количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа г шт 3

2 Шцятлэпали рогорт-лопасшога рабочего органа Ь м 0,037

3 Площадь сечения волны 5 м2 0,00103

4 Объем межлопастного пространства К м3 0,00055

5 Объем сливок, перемещаемый за один оборот роторно-лопастного рабочего органа Ураб м5 0,00173

В третьем разделе «Программа и методика исследований маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом в лабораторных и производственных условиях» описана программа и методика исследований маслоизготовителя периодического действия.

Программа экспериментальных исследований включала:

1. Лабораторные исследования по определению основных физико — механических свойств сливок и масла (плотность, жирность, влажность).

2. Исследование экспериментального маслоизготовителя периодического действия с ро-торно-лопастным рабочим органом в лабораторных условиях по оценке энергоемкости сбивания с определением оптимальных конструктивных и кинематических параметров.

3. Исследование экспериментального маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом в производственных условиях по оценке энергоемкости сбивания при оптимальных конструктивных и кинематических параметрах.

Для проведения лабораторных исследований, предусмотренных программой, был изготовлен экспериментальный маслоизготовитель периодического действия, общий вид которого представлен на рисунке 5.

Экспериментальный маслоизготовитель (рисунок 5) состоит из цилиндрической горизонтально расположенной емкости 1, закрепленной на опорах 2 и роторно-лопастного рабочего органа 5, расположенного с эксцентриситетом относительно оси емкости.

Поперечное сечение роторно-лопастного рабочего органа (рисунок 6) представляет собой замкнутый синусоидальный профиль, средней линией которого является окружность.

а б в

Рисунок б — Конструкция роторно-лопастного рабочего органа: а —с двумя лопастями: б —с тремя лопастями: в-с четырьмя лопастями

Д. 4 X 6

Рисунок 5 - Экспериментальный маслоизготовитель периодического действия: I — емкость маслоизготовителя: 2 — опоры: 3 — шланг нагнетательный; 4 — люк загрузочный; 5 - роторно-лопастной рабочий орган; б—зажим

При проведении исследований также использовались ноутбук 1, мультиметр 2, частотный преобразователь 11, компрессор 12, закрепленные на раме 17.

Привод установки (рисунок 7) для исследования маслоизготовителя периодического действия осуществляется от электродвигателя 9. Вал роторно-лопастного рабочего органа соединен с валом электродвигателя с помощью муфты 10. Частоту вращения ротор-но-лопастного рабочего органа при проведении экспериментальных исследований регулируют с помощью преобразователя частоты 11. На боковой поверхности емкости, выше ее оси, установлен загрузочный люк 7, выполненный из прозрачного материала (оргстекла) с целью контроля процесса сбивания, а также подачи сливок перед сбиванием. Загрузочный люк прижимается к емкости зажимами 8.

Степень заполнения емкости при сбивании составляла 40-80% исходя из того, что при заполнении рабочей емкости свыше 80 % замедляется процесс сбивания сливок и увеличивается отход жира в пахту вследствие уменьшения пограничной поверхности воздух-сливки, а при заполнении емкости ниже 40% ее объема сливки разбрызгиваются роторно-лопастным рабочим органом на стенки емкости и процесс сбивания не осуществляется. Частота вращения роторно-лопастного рабочего органа была выбрана 200 мин"1 и 600 мин"1 исходя из того, что волновое движение сливок начинается при 200 мин"1 и заканчивается на 600 мин'1. При частоте вращения свыше 600 мин"1 сливки помимо волнового движения по профилю роторно-лопастного рабочего органа начинают выбрасываться его лопастями. Исходя из того, что степень сбивания и сокращение застойных зон зависит от расположения роторно-лопастного рабочего органа, эксцентриситет роторно-лопастного рабочего органа относительно центра емкости был выбран 21,5 и 43 мм соответственно. При эксцентриситете 21,5 мм бегущая волна, достигая верхнего положения при вращении роторно-лопастного рабочего органа, разрушается, что приводит к повышению сопротивления при сбивании. Эксцентриситет механизма сбивания относительно центра емкости 43 мм обеспечивает нормальные условия для формирования бегущей волны.

При проведении экспери-

дейсптш (вид сверху): 1 - ноутбук; 2 - мулыпиметр ментальных исследований в каче-- 345; 3 - емкость маслоизготовителя; с™« критерия оптимизации У бы-

4- опоры; 5 -роторно-лопастной рабочий орган; яа выбрана энергоемкость сбива-6-выключатель; 7-люкзагрузочный; 8-зажим; ния в процессе проведения ис-9- электродвигатель; 10-муфта; 11 - преобразо- следований изменяли количество ватель частоты; 12 - компрессор Зитаке; лопастей механизма сбивания, его

13,14- манометр; 15 -регулятор давления; частоту вращения, степень запол-

16 - шланг нагнетательный; 17-рама нения емкости. Для исследований

использовали сливки жирностью 36 % и температурой 10°С, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко нату-

Рисунок 7 - Экспериментальная установка для исследования маслоизготовителя периодического

ральное коровье - сырье. Технические условия». В ходе проведения экспериментов они принимались постоянными. Отход жира в пахту, в соответствии с требованиями ГОСТа, допускается не более 0,4% .Была выбрана трехкратная повторность опытов исходя из того, что предельная ошибка во всех опытах приближенно равна наибольшей возможной статистической. Доверительная вероятность при этом составляла 95%.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований маслоиз-готовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом в лабораторных условиях» приведены и проанализированы результаты лабораторных исследований. Для определения уравнений регрессий и установления оптимальных значений конструктивных и кинематических параметров в основу трехфакторного эксперимента был положен О - оптимальный план с пятнадцатью опытами на трех уровнях варьирования. После обработки отсеивающего эксперимента были выбраны факторы, оказывающие наибольшее влияние на энергоемкость сбивания (таблица 2).

Таблица 2 — Факторы, влияющие на энергоемкость сбивания сливочного масла и уровни их варьирования

Обозначение и наименование факторов Уровни факторов Интервал варьирования

-1 0 +1

х, -г, - количество лопастей ротора, шт 2 3 4 1

х2 — пр- частота вращения ротора, мин'1 200 400 600 200

хз - Рэап - коэффициент заполнения емкости 0,4 0,6 0,8 0,2

После обработки результатов эксперимента получено уравнение регрессии второго порядка, описывающее зависимость энергоемкости сбивания (Вт-ч/ кг) от выбранных факторов £ =/(гл, -Пр, <рзт) в закодированном виде:

Е= 7,36 - 0.103000-х, - 0,825000-х: + 0,924000-х3 - 0,870000-х,-х2- 0,755000 х,-х3 + +0,782500-Х2-Х, +4.405-Х,2 + 4,235-х22 + 3,35-х/- 5,148-х,2 -х22 (30) Раскодированное уравнение регрессии (30) примет вид:

Е= 17,67 - 0,193- -г, + 0.026-п,-15,205- ^„-0,028г,-пр-3,419гу ?>„„ + + 0,021- пр ■ <рмп + 1,286- г,2 + 0,000003■ пр 2 + 18,193- <рмп2 + 0,000005- г, 2-п„2 (31) Адекватность полученных уравнений регрессии (30) и (31) подтверждается множественным коэффициентом корреляции й* = 0,97 и сходимостью расчетных и опытных данных р-тест = 0,968.

Для определения оптимальных конструктивных и кинематических параметров мас-лоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом определяли экстремум при решении уравнения (30).

При этом оптимальные значения факторов в закодированном виде составили = 0, Хг = 0,112, х3 = - 0,15. Полученные двухмерные сечения (рисунок 8) указывают на нахождение экстремума и получение минимальной энергоемкости сбивания маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом.

По полученным значениям проводили интерполяцию по каждому фактору согласно таблице. В раскодированном виде оптимальные значения факторов составляют: количество лопастей роторно-лопасгного рабочего органа гр = 3; частота вращения роторно-лопастного рабочего органа ир = 422 мин"1; коэффициент заполнения емкости р^, = 0,57. Энергоемкость сбивания маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом при этом составляет Е = 7,24 Вт-ч/кг.

Рисунок 8 -Двухмерные сечения поверхности отклика, характеризующие зависимость энергоемкости сбивания сливочного масла от: а) количества лопастей ротора X] (шт) и частоты вращения ротора х2(мин1); б) количества лопастей ротора XI (шт) и коэффициента заполнения емкости х3 в) частоты вращения ротора х2 (мин1) и коэффициента заполнения емкости х3

Зависимости энергоемкости сбивания маслоизготовителя периодического действия от частоты вращения роторно-лопастного рабочего органа, определенные по уравнению регрессии (31) и теоретической зависимости (24), представлены на рисунке 9.

В результате анализа теоретических и экспериментальных значений установлена достаточная сходимость Р-тест = 0,982, а разброс значений не превышает 1,02 %. Вследствие этого можно утверждать о справедливости применения теоретической зависимости (24).

В пятом разделе «Результаты исследований маслоизготовителя периодического действия в производственных условиях и технико-экономическая оценка применения маслоизготовителя на производстве» приведены технические характеристики маслоизготовителя перио-

2ЭО 200 ЛОО ДОС 60G 600 tí. МШ1

Рисунок 9 — Зависимость энергоемкости сбивания маслоизготовителя периодического действия от частоты вращения роторно-попастного рабочего органа (левые столбцы по уравнению регрессии (31), правые столбцы по теоретической зависимости (24))

дического действия, результаты исследования качественных показателей сливочного масла и оценка экономической эффективности.

Производственные исследования маслоизготовителя периодического действия с ро-торно-лопастным рабочим органом проводили в СПК «Родина Радищева» Кузнецкого района и ОАО «Камешкирский сырзавод» Камешкирского района Пензенской области. Сливки, используемые при исследовании отвечали требованиям ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье - сырье. Технические условия». Оптимальные конструктивные и кинематические параметры маслоизготовигеля периодического действия были приняты в результате обработки научных исследований.

Конструктивные и кинематические параметры маслоиэ готовите ля периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом сведены в таблице 3.

Таблица 3— Техническая характеристика маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом___

Шп Показатели Размерность Значение

1 Частота вращения роторно-лопастного рабочего органа мин"1 422

2 Коэффициент заполнения емкости - 0,57

3 Диаметр роторно-лопастного рабочего органа м 0,062

4 Количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа шт 3

5 Мощность, затрачиваемая на сбивание Вт 97,2

6 Производительность маслоизготовотеля кг/ч 13,4

7 Энергоемкость сбивания Вт-ч/кг 7,25

8 Масса маслоизготовителя кг 2,64

9 Габаритные размеры маслоизготовителя м 0,21x0,278x0,194

В результате проведения исследований было установлено, что предлагаемый мас-лоизготовитель периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом позволяет получить сливочное масло, результаты анализа качественных показателей которого представлены в таблице 4. Расхождение значений энергоемкости сбивания маслоизгото-вителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом, полученных в результате обработки экспериментальных исследований и исследований в производственных условиях, не превышает 1 %.

Таблица 4 — Качественные показатели сливочного масла

Параметры Результаты

Жирность масла, % 82,5...83

Выход масла, % 59,5

Отход жира в пахту, % <0,4

Влажность масла, % 15,5... 16,0

Содержание воздуха, % 2,4... 2,8

По качественным показателям сливочное масло, полученное в результате производственных исследований, соответствует сладко-сливочному традиционному.

Предлагаемый маслоизготовитель можно использовать в поточных технологических линиях предприятий по выработке сливочного масла, а также в автономном варианте для условий производства масла в хозяйствах с небольшой программой производства.

Оценка экономической эффективности проведена по общепринятым методикам. При этом для оценки был выбран серийно выпускаемый промышленностью маслоизготовитель ЭМБ-01 «Салют» как наиболее близкий по конструктивным параметрам к предлагаемому опытному образцу маслоизготовителя периодического действия.

На основании проведенного расчета экономической эффективности применения маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом установлено, что роторно-лопастной рабочий орган будет способствовать снижению энергоемкости сбивания на 24% по сравнению с серийно-выпускаемым ЭМБ-01 «Салют», при этом годовая экономия эксплуатационных затрат составит 7725 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа существующих маслоизготовителей разработана принципиально новая конструкция маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом. Проведенные поисковые опыты подтвердили целесообразность применения горизонтально расположенного маслоизготовителя с роторно-лопастным рабочим органом, способствующего снижению энергоемкости сбивания.

2. В результате теоретических исследований установлено, что бегущая волна, снижающая энергоемкость сбивания, образуется в процессе работы роторно-лопастного рабочего органа. Закрепление роторно-лопастного рабочего органа горизонтально с эксцентриситетом относительно центра емкости полностью ликвидирует «застойные» зоны по всему объему сливок в емкости маслоизготовителя.

Получены выражения, позволяющие определить количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа; ширину лопасти роторно-лопастного рабочего органа; объем межлопастного пространства роторно-лопастного рабочего органа; объем сливок, перемещаемый за один оборот роторно-лопастного рабочего органа.

3. Разработан экспериментальный образец маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом и проведены лабораторные исследования, после анализа которых были выявлены оптимальные конструктивные и кинематические параметры маслоизготовителя с производительностью по маслу 13,4 кг/ч, выходом масла 59,5% и отходом жира в пахту не более 0,4%: частота вращения роторно-лопастного рабочего органа Яр = 422 мин"'; количество лопастей роторно-лопасшого рабочего органа zp= 3; коэффициент заполнения емкости Рш„= 0,57.

4. Исследованиями в производственных условиях установлено, что при оптимальных конструктивных и кинематических параметрах энергоемкость процесса сбивания составляет 7,25 Вт-ч/кг при производительности 13,4 кг сливочного масла за один час и потребляемой мощности 97,2 Вт и надлежащем (в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52969-2008 «Масло сливочное. Технические условия») качестве сливочного масла.

Оценка экономической эффективности показала, что совершенствование линии по производству масла позволит снизить энергоемкость сбивания на 24% по сравнению с серийно-выпускаемым ЭМБ-01 «Салют». Годовая экономия эксплуатационных затрат составит 7725 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях

1. Парфенов, B.C. Маслоизготовитель для хозяйств с небольшим объемом производства / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный // Техника в сельском хозяйстве. -№6 (2013).-С. 30-31.

2. Парфенов, В.С Маслоизготовитель периодического действия / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный // Нива Поволжья. - 2014. - №1 (30). - С. 88-91.

3. Парфенов, В.С Обоснование конструктивных параметров волнообразного ротора маслоизготовителя периодического действия / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный // Нива Поволжья. - 2014. - №4 (33). - С. 95-102.

4. Парфенов, В.С Устройство для изготовления сливочного масла / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2014. -№ 6(22). - С. 177-180.

5. Пат. 2491813 РФ, МПК A 01J15/00. Маслоизготовитель периодического действия / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный, В.Н. Стригин. - № 2012129083/10; Заявлено 10.07.2012; Опубл. 10.09.2013, Бюл. № 25.

Публикации в других изданиях

6. Парфенов, B.C. Инновационное предложение производства сливочного масла для малых сельскохозяйственных товаропроизводителей / B.C. Парфенов, A.B. Яшин,

B.Н. Стригин, Ю.В. Полывяный // Актуальные проблемы агроинженерии и их инновационные решения : сборник научных трудов по материалам между нар. науч,-пракгич. конф., посвященной юбилею спец. кафедр инженер, фак-та (60 лет каф. «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Технология металлов и ремонт машин», «Сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины», 50 лет кафедре «Механизация животноводства»), - Рязань: РГАТУ, 2013. — С. 223-228.

7. Парфенов, B.C. Экспериментальный маслоизготовитель периодического действия/ B.C. Парфенов, АЛ. Яшин, Ю.В. Полывяный // Бъдещиге изследвания: материали за 10-а международна научна практична конференция. Том 40. Сельско стопанство. -София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2014. - С. 10-12.

8. Парфенов, B.C. Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров волнообразного ротора / B.C. Парфенов, A.B. Яшин, Ю.В. Полывяный // Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства: V Всероссийская научно-практическая конференция. Пенза: РИО ПГСХА, 2014. - С. 157-160.

9. Полывяный, Ю.В. Анализ методов производства сливочного масла / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно — практической конференции. — Том III. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012.-С. 52-53.

10. Полывяный, Ю.В. Производство сливочного масла методом преобразования высокожирных сливок / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно - практической конференции. - Том Ш. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 53-55.

11. Полывяный, Ю.В. Производство сливочного масла методом сбивания сливок / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно - практической конференции. - Том П1. -Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 56-57.

12. Полывяный, Ю.В. Современное состояние производства сливочного масла / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно — практической конференции. Пенза: РИО ПГСХА, 2012.-С. 144-146.

13. Полывяный, Ю.В. Разработка инновационного технического средства для производства сливочного масла / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно - практической конференции. - Том Ш. - Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С. 88-92.

14. Полывяный, Ю.В. Инновационное техническое средство для производства сливочного масла / Ю.В. Полывяный // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно — практической конференции. - Том II. - Пенза: РИО ПГСХА, 2014. - С. 225-227.

15. Полывяный, Ю.В. Маслоизготовитель периодического действия / Ю.В. Полывяный, B.C. Парфенов, A.B. Яшин // Восьмой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. - Саратов, 2013 - С. 136.

16. Полывяный, Ю.В. Маслоизготовитель для проведения лабораторных исследований / Ю.В. Полывяный, A.B. Яшин // Научные исследования молодых ученых — сельскому хозяйству России: тр. Все-рос. совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. -

C. 30-32.

Подписано в печать 09.06.2015 г. Формат 60x84/16. Объем 1 п л. Тираж 100. Заказ № 85 Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74

2015673692

2015673692