автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование сепаратора молока с обоснованием и разработкой безредукторного привода

На правах рукописи

Дружинина Елена Сергеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СЕПАРАТОРА МОЛОКА С ОБОСНОВАНИЕМ И РАЗРАБОТКОЙ БЕЗРЕДУКТОРНОГО ПРИВОДА

Специальность 05.20.01 - технологам и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 2006

Работа выполнена во ФГОУ ВПО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве»

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Сукиасян Серж Матевосович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович

кандидат технических наук, доцент Круглов Сергей Анатольевич

Ведущая организация - ГНУ «Северо-западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (СЗ НИИМЭСХ)

Защита состоится 20Об г, в на заседании диссертационно-

го совета Д 220.060.06 Санкт-1Петербургского государственного аграрного университета по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПГАУ, ауд. 2-719

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослал «$» О^/ЯЛ^Л"!ррб года

Ученый секретарь диссертационного совета

Сковородин В. Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Молоко и молочные продукты были, есть и будут, по-видимому в обозримом будущем, постоянной пищей человека.

В настоящее время в стране работают более 1700 предприятий, производящих молоко и молочную продукцию - молочных заводов — 673, маслодельных - 340, маслодельно-сыродельных - 264, молочноконсервных - 39, прочих -220. В последнее время все большее распространение получают устройство ^и-ний первичной обработки и переработки молока непосредственно на сельскохозяйственных предприятиях и в фермерских хозяйствах.

Большие потери электроэнергии (до 35%) у потребителей, снижение уровня надежности энергоснабжения (до 50%), ущерб сельскому хозяйству от перерывов в электроснабжении, а так же от снижения качества подаваемой энергии (в основном по напряжению), достигает 1,5 млрд. рублей в год (это относится к молочным комплексам и молокозаводам).

Поэтому разработка и создание нового конкурентоспособного, энергоэкономного оборудования, отвечающего современным требованиям, отличающегося простотой конструкции и технического обслуживания при высокой производительности, относительно малыми габаритами и массой и предназначенного для технологического оборудования первичной обработки и переработки молока и отвечающего запросам фермерских хозяйств и крупных производителей Сельскохозяйственной продукции - актуально.

В этой связи создание сепараторов-разделителей (очистителей), использующих на свой привод альтернативные источники энергии, имеют большое значение в современных условиях хозяйствования.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы является совершенствование сепаратора молока с обоснованием и разработкой безредукторного привода.

Исходя из поставленной цели, намечены следующие задачи:

• провести анализ существующих приводов отечественных и зарубежных молочных сепараторов;

• обосновать рациональную схему привода молочного сепаратора и провести исследования по обоснованию параметров нового сепаратора-разделителя (очистителя);

• теоретический анализ основных режимов работы предлагаемого сепаратора;

• экспериментально исследовать сепаратор;

• экспериментально исследовать сепаратор в производственных условиях с разработанным приводом и определить его экономическую эффективность.

Методика исследований. Для решения поставленных задач на основе комплексного системного подхода предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований.

В основу теоретических исследований положены математические модели взаимодействия физических свойств разделяемого продукта с технологически-

ми и конструктивными параметрами сепаратора и его гидропривода, методы теоретической механики, гидравлики и высшей математики.

Основные экспериментальные исследования проведены на разработанных и изготовленных лабораторных установках на базе Великолукской государственной сельскохозяйственной академии и в мини - цехе первичной обработки и переработки молока животноводческого комплекса ЗАО «Великолукское».

Экспериментальные исследования проводились с применением методик планирования многофакторного эксперимента и методов группового учета аргументов.

Обработка экспериментальных данных осуществлена методом математической статистики и пакетов прикладных программ STATGRAPHICS plus Version 3.1.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

• разработка, изготовление и испытание нового сепаратора молока с гидроприводом предназначенного для фермерских хозяйств с использованием электрифицированных напорных устройств или альтернативных источников энергии;

• разработка основных теоретических положений этого сепаратора;

• возможность использования на предприятиях промышленной переработки молока с источниками энергии от напорных устройств высокого давления, входящих в поточно-технологические линии.

Новизна сепаратора-разделителя подтверждена патентом РФ на изобретение №2201806 «Центробежный сепаратор для разделения молока на фракции».

На защиту выносятся:

• теоретические предпосылки по обоснованию технологических, конструктивных и режимных параметров сепаратора-разделителя (очистителя);

• математические модели рабочего процесса и рациональных параметров сепаратора; .

• практические результаты выполненных исследований и их энергетическая и экономическая эффективность;

• конструкция сепаратора для разделения молока на фракции и его очистки для личных подсобных (ЛПХ), фермерских хозяйств и малых ферм.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований получена возможность внедрения сепаратора-разделителя с гидроприводом в поточно-технологические линии первичной обработки и переработки молока. Разработанная теория принципа действия сепаратора с гидроприводом и методы его расчета могут использоваться в конструкторских организациях и научных учреждениях при создании и совершенствовании ПТЛ первичной обработки и переработки молока, а так же сепараторов-очистителей и разделителей молока и, наконец, в учебных заведениях при подготовке специалистов сельскохозяйственных специальностей.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены: на Международной научно-практической конференции, посвященной 25- летию Смоленского сельхозинститута (г. Смоленск) — 1999 год; на Международной научно-практической конференции, посвященной, 100-летию со дня рождения профессора А. К. Ермолаева - 2005 год; на научно-практических конференциях Великолукской ГСХА - 2000, 2001, 2002,2003 и 2006 годах.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 йа-учных работах, в том числе один патент РФ.

Структу ра и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа содержит 140 страниц, 7 таблиц и 13 приложений. Список литературы включает 115 наименований, в т. ч. 5 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика рассматриваемой проблемы, ее актуальность, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проведен обзор и анализ различных конструкций сепараторов.

Выпускаемые промышленностью серийные сепараторы не отвечают в полной мере требованиям современного производства из-за большой металлоемкости, сложности технического обслуживания, низкой надежности.

Для малых ферм и фермерских хозяйств поточно-технологические линии комплектуются в основном из отдельно выпускаемых машин, не согласуемых по многим параметрам, что нарушает поточность технологического процесса, повышает себестоимость переработки молока и снижает эффективность работы линий.

На основе анализа научных работ сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе разработана математическая модель процесса разделения молока, получена зависимость для определения производительности гидроприводного сепаратора с учетом диаметра жирового шарика в молоке, а также конструктивных параметров. Теоретически обоснованы конструктивные и энергетические показатели работы сепаратора-разделителя (очистителя) для малых ферм.

Для определения производительности сепаратора-разделителя с гидрог приводом нами рассмотрены процессы, происходящие в барабане при подаче рабочей жидкости (молока) под давлением.

При движении потока молока без проскальзывания параллельно оси вращения его средняя скорость определяется по формуле

где <3б- объёмный расход молока через барабан в единицу времени;

Кв - радиус внутренней поверхности барабана, наиболее удалённой от оси; — внутренний радиус обогащенного слоя молока в барабане. Время пребывания молока в центробежном поле внутренней полости барабана

где Ьв - средняя высота внутренней полости барабана; Ув-рабочий объём барабана;

(3)

Напряжённость центробежного поля Е в любой точке, отстоящей от оси на расстоянии гт во внутренней полости барабана, равна

Е -ш1 *гт, (4).

где со =71' ^30- угловая скорость вращения поля;

п - частота вращения барабана; гт- расстояние точки от центра центробежного поля. Силовые линии центробежного поля направлены по радиусам и располагаются нормально к поверхностям уровней, имеющих форму концентрических цилиндров.

При всплывании жировых шариков под действием центробежной силы в центробежном поле скорость всплывания определяется по формуле Г.И. Бремера

(5)

где 11« - расстояние от жирового шарика до оси вращения в относительном движении; я>2Кс=э - центростремительное ускорение; Го - радиус жирового шарика; р„ - плотность плазмы; рж - плотность жирового шарика; ц - динамическая вязкость плазмы.

Уравнение (1) в дифференциальной форме имеет вид

<П1, 2 2

—---- со

(11 g

разделив переменные в уравнении, получим сШ.

» У

I (6)

^Л/^/^^^ЛЙ- (7>

е ^ ^ ;

Принимаем кр = — • со3

2 ,

■М-

ая.

тогда = крг02ск. (8) .

Ко

Примем, что жировые шарики состоят из одного эквивалентного диаметра, одинаковой плотности, равномерно распределены во входящем в барабан потоке, ►

При центрифугировании такой суспензии за время ее нахождения в барабане у оси сосредоточатся только те частицы, которые располагаются в зоне радиусом гр, являющейся зоной максимальной концентрации жировой составляющей, радиус которой ориентировочно возможно определить исходя из процентного соотношения молочного жира в молоке, то есть 3,5.„3,6%. Следовательно

— = 3,5...3,6% (9)

Более точное значение гр возможно получить, интегрируя левую часть уравнения (9) в пределах от гр до К«, а правую - от 0 до 1 и, решая относительно гр, получим

г^-е"'1*^ (10)

Тогда толщина кольцевого слоя молока, из которого произойдет наиболее активное выделение жировых шариков, будет

(11)

Из уравнения (10) находим время Ъ в течение которого все жировые шарики, находящиеся в начальный момент поступления в полость барабана на расстоянии от боковой стенки, не превосходящем гр, достигнут зоны расположения оси

1--ЦьД*'. (12)

крГо гР

Необходимая минимальная производительность барабана для полного выделения шариков молочного жира диаметром (1 определится по формуле

--\TTiJ.' (13)

где © - угловая скорость вращения барабана;

I - число тарелок;

11т — высота рабочей части тарелки;

Кшах» К-тт — максимальный и минимальный радиусы конической части тарелки;

5 - разность плотностей молочного жира и плазмы; - диаметр жирового шарика;

ц - динамическая вязкость жидкости.

Имея значение Ь. = tg а«^ (14)

где аж — угол наклона образующей тарелки и подставляя его в формулу (13), получим

27-ц .

Однако более точное решение будет получено при исследовании процессов с позиции гидродинамики. При исследовании гидродинамики необходимо установление скорости истечения жидкости — абсолютной и относительной, а так же окружной скорости сопла - она же и окружная скорость барабана.

Значение окружной скорости определяем с учетом установленной (или принятой) частоты вращения барабана и его радиуса или радиуса установления сопел.

Относительную скорость истечения струи из каждого сопла определим по формуле

2 • г • е я • а; • е где С>- производительность насоса;

í~ площадь поперечного сечения сопла; е - коэффициент сужения струи, выходящей из сопла; Пс - количество сопел; <!с - диаметр сопла.

В исследуемых центрифугах использовались сопла типа «отверстие в тонкой стенке», коэффициент сужения которых близок к единице.

Абсолютная скорость истечения определяется с учетом того, что в принятой центрифуге угол между направлением вектора окружной скорости и и вектора скорости \У в обычном случае равно 180°, при этом учитывается, что минимальное количество сопел равно двум. Именно для этого случая мы принимаем угол между векторами и и \¥. При трех или четырех соплах значения рассматриваемых углов будут, соответственно, 120° и 90°. Абсолютная скорость истечения жидкости из сопла определится как

(17)

а и=а>т (18)

где г - радиус вылета оси сопла.

Подставляя значения'W и и в формулу (17), имеем

и = —-^-^-сот . (19)

п • <1, ■ Б

Из данного выражения определяем ©

^.О.П.-И^-Е.и (20)

ТС * (1, * Е • Г

Полученное значение ш подставим в формулу (15), получим

Qr

Полученное значение со подставим в формулу (15), получим

_<й -б-ь^я;, -^„.Нгд-п. -7!.а; .£-оУ 27ц • к ■ а* • е1 ■ г2

Таким образом, требуемая теоретическая производительность гидроприводного сепаратора должна устанавливаться с учетом значения диаметра жирового шарика в молоке, получаемого при доении, а также конструктивных особенностей (количество и диаметр сопел). >

Давление рабочей жидкости в системе, согласно формуле (21), присутствует опосредованно, в виде конечного результата — производительности.

В тоже время, характеристикой давления в системе является угловая скорость. Имея ввиду прямую связь производительности и угловой скорости,

<3

вводим коэффициент Кт> = —г* характеризующий значение технического

СО

параметра, обеспечивающего необходимый объем выделения жировых шариков (сливок) с учетом устанавливаемых диаметральных параметров.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» (рисунок 1) изложена программа исследований экспериментального сепаратора для разделения молока на фракции._

Совершенствование сепаратора молока за счет внедрения гидропривода

Научные предпосылки создания техники нового поколения для разделения и очистки молока

Разработка нового сепаратора-оч нстител я-раздел ктеля

Современное состояние

3Z

Перспектива развития технологий на ближайшие 10-15 лет

Теоретическое обоснование новых узлов сепаратора

Экс периментальные узлы

Технология разделения и очистки молока для малых ферм и ЛПХ

Экспериментальный образец сепаратора для малых ферм н ЛПХ

Изучаемые показатели экспериментального образна

Частота вращения барабана

Время разгона барабана Производительность установки

Потребная

мощность Жирность

Экономическая эффективность технологии

Проект исходных требований

Рисунок 1. Общая схема исследований

Приведены приборы и измерительная аппаратура, представлено устройство экспериментальной установки и принцип ее работы, выбраны критерии оптимизации, методики определения технологических, эксплуатационных и энергетических параметров, описание проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

Программа исследования включала однофакторный и многофакторный эксперименты по оптимизации параметров сепаратора.

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и общепринятыми методиками исследования машин, обеспечивающими получение достоверных результатов с последующей их обработкой.

На рисунке 2 представлена схема экспериментальной установки для раздел гния молока на фракпии.

,- 6 Г,

ю —

движение мулока;

•->

дт;иж?пяс сливок; ----^движение обрата.

1-электродвигатель постоянного тока; 2-насос; 3- трехходовой фан; 4-рзсходомер; 5-манометр; 6-трубопровод напорный; 7-экопери ментальный образец сепаратора; 8-нагре-аа тельный элемент; ^-трубопроводы безнапорные; 10 - сетчатый фильтр; 11 - емкость системы циркуляции; 12 - щм-то* приборный; 13-тахометр; 14-емкость для отделяемого продукта; 15. термометр.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки

П ч^тггртом пазделе представлены результаты исследований технологических, эксплуатационных, энергетических парам >';тро^, а также дополнительнее исследования.

В розульготе обработки оксг:еримента л ьных дадяьгх сепаратора гтолу-••;г;• мят:;, этические зависимости качественных и ;шерге^ .¡четких показате-

лей процесса разделения от факторов и построены поверхности отклика, графически характеризующие их взаимосвязи.

Зависимость производительности (я) от выбранных факторов представлена в виде:

Я=0,0085+0,0059x^+0,0019хЪ2+0,00084хЬ3+0,0016хЪ1хЬ2+

+0,00058х х Ьз+0,0013 х ¿^+0,00029х +0,000038х Ьъ » где Ъу Ь2, Ъ3 - соответственно, давление в системе, диаметр сопла р количество сопел,

С увеличением диаметра сопла с 1,0 мм до 2,0 мм производительность возрастает с 0,008 до 0,02 м7мин, за счет увеличения пропускной способности сепаратора. Возрастание давления в системе с 0,036 до 0,11 МГГа так же приводит к увеличению производительности на 0,004 м3/мин. С уменьшением числа сопел с 4 до 2 производительность возрастает на 0,0006 м3/мин (рисунок 3), Наиболее целесообразно использование двух сопел, так как при этом состав продукта отвечает требованиям по качеству разделения, и производительность остается высокой.

Рисунок 3. Зависимость производительности сепаратора от давления в системе, диаметра и количества сопел

Изучение влияния основных факторов на частоту вращения барабана сепаратора привело к получению следующей математической модели:

п=5145,9+500,6хЬ]+133,4хЬ2+48,95хЬ3+59,13хЬ1хЬ2+

1-177,09х ¿^+50,89х +77,78 х

Такие факторы, как давление в системе и диаметр сопла влияют на выходную величину, взаимодействуя между собой (рисунок 4). При их взаимодействии, с уменьшением диаметра сопла с 2,0 до 1,0 мм и увеличением давления в системе с 0,036 до 0Д1 МПа, частота вращения возрастает с 4700 до 6200 ми>Л

Рисунок 4. Зависимость частоты вращения барабана сепаратора от давления в

системе и диаметра сопла

Исследование влияния факторов на время tp разгона, необходимого для достижения рабочей частоты вращения, позволило установить следующую взаимосвязь:

tp=120-5,25xbi+6,375xb2-14,88xb3-6,75xb1xb2+2,75xbixb3 + +14,5 X ¿2 + 20,5 X .

С увеличением количества сопел с 2 до 4 время разгона снижается со 150 до 125 с. С изменением диаметра сопла с 1,0 до 1,5 мм происходит уменьшение времени разгона на 20 сек, а дальнейшее увеличение диаметра сопла с 1,5 до 2,0 мм приводит к увеличению времени разгона. Это связано с возрастанием в этом интервале частоты вращения. Увеличение давления в системе также приводит к снижению времени разгона со 170 сек до 150 сек (рисунок 5),

Рисунок 5. Зависимость времени разгона от давления в системе, диаметоа и количества сопел

Проведенный анализ позволил установить зависимость жирности выходной суспензии Жся от выбранных факторов:

Жсл=1,96+0,245хЬ1+0,07хЬ2+010225хЬз-0,0175хЬ2хЬз-0,0837х^0)033х^.

С увеличением числа сопел с 2 до 4 повышается эффективность процесса разделения на 0,4% (в 2 раза). С изменением диаметра сопла с 1,0 до

диаметра сопла с 1,5 до 2,0 мм приводит к росту фактора разделения (рисунок 6). Это связано с возрастанием в этом интервале частоты вращения.

Ь2

Рисунок 6. Зависимость жирности от количества и диаметра сопел

В результате анализа уравнений регрессии и поверхностей отклика были определены рациональные значения факторов: давление в системе р= мПа; количество сопел ш=2; диаметр сопла (1=1,5 мм.

В пятом разделе представлены результаты расчета экономической эффективности использования гидроприводного сепаратора. Варианты расчетов: молоко без переработки, прошедшее поточно-технологическую линию первичной обработки традиционную и предлагаемую с использованием гидроприводного сепаратора (в режиме работы сепаратора-молокоочистителя); молоко, прошедшее первичную переработку на сливки (8%) на поточно-технологической линии с использованием сепаратора-сливкоотделителя СПМФ-2000 и предлагаемой линии с использованием гидроприводного сепаратора (в режиме работы сепаратора-очистителя-сливкоотделителя).

Использование рекомендуемого сепаратора в разных технологических режимах обеспечивает снижение приведенных затрат на 10 и 19%, сокращение затрат труда на 3.6...3,8%.; обеспечивается годовой экономический эффект 11000 рублей при работе в линии первичной обработки молока и 46500 - рублей в линии переработки молока на сливки питьевые (10%) при сроке окупаемости капитальных вложений 1,6 и 5,7 года, соответственно.

(

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕД ЛОЖЕНИЯ

1. Результаты патентного поиска и литературного обзора показали, что применяемые в настоящее время для разделения и очистки молока сепараторы обладают высокой энерго- и металлоемкостью и по ряду конструктивных параметров не соответствуют условиям эксплуатации, характерным для фермерских хозяйств, в особенности при содержании молочного поголовья на пастбищах.

2. Разработана конструкция гидроприводного сепаратора, включающего барабан, установленный на неподвижной полой оси, разделенной внутри перегородкой на верхнюю и нижнюю части с отверстиями. Нижняя часть оси служит для подвода молока в барабан с радиальными трубками в его основании, выведенными наружу под прямым углом. На их концах смонтированы сопла, благодаря которым при подаче молока под давлением в полость барабана создается реактивная тяга для его вращения. Верхняя часть служит для вывода сливок (патент №2201806).

3. В результате теоретических исследований установлена производительность сепаратора (21), зависящая, в том числе и от таких конструктивных параметров, как количество и диаметр сопел.

4. Из анализа полученной зависимости (21) производительности гидроприводного сепаратора от конструктивных параметров следует, что рост производительности может быть достигнут за счет изменения диаметра сопла с 1,0 мм до 2,0 мм и при количестве сопел с 4 до 2.

5. На основании результатов экспериментальных исследований выявлено, что процесс сепарирования наиболее эффективен при следующих оптимальных сочетаниях конструктивных параметров: диаметр сопла <1 — 1,5 мм, количество сопел т = 2. Давление в системе 0,11 МПа, при этом обеспечивается время разгона 2,0...2,5 мин.

6. Разработана номограмма для установления рабочих параметров, обеспечивающих эффективную работу сепаратора в различных технологических режимах его использования и при различных исходных параметрах.

7. Разработаны поточно-технологические линии для трех технологических режимов: первичной обработки молока (работа сепаратора в режиме очистки); первичной обработки молока в случае эпизоотии (работа сепаратора в режиме очистки); первичной переработки молока (работа сепаратора в режиме очистки и сливкоотделения).

8. Сравнительные испытания показали, что применение гидроприводного сепаратора обеспечивает снижение приведенных затрат до 19% при годовом экономическом эффекте в размере 11000 рублей - при его использовании в линиях первичной обработки и 46500 рублей - при его использовании в линиях первичной переработки молока. Суммарные затраты мощности в установившемся режиме при сравнении с существующим сепаратором аналогичной производительности снижаются на 8. ..10%. Металлоемкость снижена на 30. „35%.

9. Испытания осуществлены в производственных условиях в 2004 - 2005 гт. в перерабатывающем мини-предприятии молочного комплекса ЗАО «Великолукское» Великолукского района Псковской области.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1. Гусейнов Р.Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С. Совершенствование методов сепарирования молока. //Сб. науч. тр./ По материалы международной научно-практической конференции посвященной 25-летию Смоленского сельхозинститута, 1999.-С. 63-65.

2. Сукиасян С. М., Дружинина Е. С., Электрическая схема экспериментального сепаратора. //Сб. науч. трУ Великие Луки, 2000. - с. 112-113.

3. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С. Экспериментальная установка гидроприводного молочного сепаратора. //Сб. науч, тр./ Великие Луки, 2001. т- С. 291-294.

4. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С, К вопросу исследования сепаратора-сливкоотделителя с гидроприводом. //Сб. науч, тр./ Тезисы XXXIV межвузовской научно-практической конференции. - Великие Луки, 2001. - С. 266-269.

5. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С. Сепараторы. Сельский механизатор, №11,2001. - С. 33.

6. Дружинина Е. С. Теоретическое обоснование процесса разделения молока в сепараторе с гидроприводом. //Сб. науч. тр./ Наука и передовой опыт - аграрному производству, - Великие Луки, 2002. - Ч. 2. - С. 62-72.

7. Патент №2201806 RU, МПК 7 В 04 В 1/08,9/06 Центробежный сепаратор для разделения молока на фракции/ Гусейнов Р. Г., Шилин В, А., Дружинина Е. С. (RU). - №20001255/43; Заявлено 11.10.2000; опубл. 10.04.2003 Бюл. №10.

8. Гусейнов Р. Г., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С. Контроль технического состояния сепаратора. //Сб. науч. тр./ по материалам научно-практической конференции.-Великие Луки, 2003,—с. 162-164.

9. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С, Обоснование альтернативного привода сепаратора// Агропромышленный комплекс: состояние и перспективы развития/ Сб. науч. тр./ По материалам Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А. К, Ермолаева.-Великие Луки, 2005. - С.159-161.

10. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С., Зайцев В. А. Центробежный сепаратор для фермерских хозяйств//Сб. науч. тр. / По материалам научно-практической конференции. - Великие Луки, 2006. - Ч. 2. -С. 134-136.

Лицензия ЛР № 040831 Подписано к печати 11.10.06 Формат 60x90/16 Усл. печ. 1,0 л. Тираж 100 экз.

Заказ 98

Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО «ВГСХА» 182100, г. Великие Луки, пл. Ленина, 1

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Характеристика современного уровня развития молочных перерабатывающих производств.

Т 1.2 Особенности и требования к работе сепараторов-разделителей.

1.3 Краткая характеристика и особенности продукта разделения.

1.4 Характеристики технологий и технических средств, используемых для разделения молока.

1.5 Достоинства и недостатки современных средств разделения.

1.6 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Теоретическое обоснование процесса разделения и очистки молока и конструктивно-технологических параметров рабочих органов сепаратора-разделителя-очистителя

2.1 Теоретическое исследование процесса сепарирования и обоснование его основных параметров.

2.2 Определение диаметра отверстий сопла в целях создания вращающего момента.

2.3 Условие предупреждения критических резонансных частот.

2.4 Анализ вращения тела с постоянно изменяющейся массой молока.

2.5 Анализ вращения тела с постоянно разделяемой массой.,.

2.6 Условие невозможности встречи струи с сопловым выступом.

2.7 Влияние угловой скорости барабана на расход через сопла.

Глава 3. Исследование процесса разделения молока

3.1 Планирование эксперимента.

3.2 Общая методика экспериментальных исследований реактивного гидропривода.

3.3 Описание и принцип действия лабораторной установки.

3.4 Методика и техника эксперимента.

3.4.1 Запись частоты вращения барабана.

3.4.2 Технология приготовления рабочей жидкости.

3.4.3 Определение эффективности разделения.

Глава 4. Экспериментальная оценка воздействия выбранных факторов на выходные параметры технологического процесса

4.1 Влияние факторов на производительность сепаратора при разделении рабочей жидкости на составляющие.

4.2 Дейс твие факторов иа частоту вращения барабана сепаратора.

4.3 Влияние факторов иа разделяемость суспензии.

4.4 Влияние факторов на время разгона, необходимое для достижения рабочей частоты вращения.

Глава 5. Экономическая эффективность разработки.

Натуральное молоко в России используется следующим образом: на производство цельномолочной продукции направляется около 42 % заготовляемого молока, около 46% масла, 7 -8 % сыра, 5% молочных консервов /55/. По неофициальным данным около 20% молока «теряется» на стадии производства и переработки - крайне низка глубина переработки молока, практически не используются так называемые «вторичные ресурсы» (сыворотка, обезжиренное молоко, пахта).

Северо - Западный регион характеризуется наиболее интенсивным развитием молочного скотоводства с ярко выраженной специализацией производства цельномолочной продукции. Молочному направлению скотоводства соответствует структура стада с удельным весом коров 60% и выше. Ремонтный сверхремонтный молодняк выращивается в специализированных фермах и хозяйствах. Для региона характерна высокая распаханность земель и ограничение площади природных кормовых угодий.

Основными производителями молока и мяса КРС являются фермы общественного сектора, где производится 52-53% молока, а также личные подсобные хозяйства (ЛПХ).

При этом удельный вес ЛПХ в производстве молока в 1996 г. составил 45%/55/.

Первая группа товаропроизводителей относится к числу крупных сельхозпредприятий. Их количество составляет 30, 6 тыс. предприятий (колхозы, совхозы, акционерные общества, агрофирмы и т. д.), которые поставляют 90% товарной продукции.

Вторая группа товаропроизводителей - около 13 млн. личных подсобных хозяйств жителей сел и небольших городов. Продукция ЛПХ в основном используется для собственного потребления и только некоторая часть ее является товарной.

Третья группа товаропроизводителей - 269 тыс. крестьянских (фермерских) хозяйств. В среднем на одно фермерское хозяйство приходится 42 га всей земли.

Первая группа товаропроизводителей (сельхозпредприятия) имеет 36, 2 млн. голов крупного рогатого скота, в том числе 12,8 млн. коров. Средний удой на фуражную корову составляет 2250 кг, валовое производство молока - 29,9 млн. т.

В личных подсобных и крестьянских хозяйствах содержится 12,7 млн. голов крупного рогатого скота, в том числе 7 млн. коров. Они производят 35,7% молока.

Первая группа товаропроизводителей практически обеспечена капитальными животноводческими помещениями. Уровень комплексной механизации зависит от размера ферм. На фермах с поголовьем до 100 коров производственные процессы механизированы на 17,5%, от 101 - 200 коров - на 36,7%, от 201 до 400 коров - на 41,5%. Практически полностью механизировано доение коров и поение скота. Уровень механизации раздачи кормов и уборки навоза - на 64 и 88% /55/.

Животноводческие фермы личных подсобных хозяйств (вторая группа товаропроизводителей) характеризуется малыми размерами, имеют до пяти собственных коров и приплод, а также другие виды животных. Производственные процессы на фермах выполняются вручную.

Самой сложной и трудноразрешимой проблемой в крестьянских хозяйствах является обеспечение сельскохозяйственной техникой, машинами и оборудованием. Промышленность практически еще не освоила выпуск специализированной техники для животноводства фермерских хозяйств. Поэтому уровень механизации в этих хозяйствах очень низок.

Современное неудовлетворительное состояние оснащения ферм, необходимость повышения конкурентоспособности отечественной продукции требуют разработки более совершенных средств механизации. Создание и внедрение новых технологий и технических средств, пригодных как для вновь строящихся ферм и комплексов, так и для существующих помещений коллективных и фермерских хозяйств.

Такие технологии должны базироваться на самых современных достижениях инженерной, зоотехнической и биологической науки, что позволяет повышать производительность и облегчать труд обслуживающего персонала.

Поэтому целью диссертационной работы является совершенствование сепаратора молока с обоснованием и разработкой безредукторного привода.

По результатам исследования на защиту выносятся следующие положения: теоретические предпосылки по обоснованию технологических, конструктивных и режимных параметров сепаратора-разделителя (очистителя); математические модели рабочего процесса и рациональных параметров сепаратора; практические результаты выполненных исследований и их энергетическая и экономическая эффективность; конструкция сепаратора для разделения молока на фракции для J UIX, фермерских хозяйств и малых ферм.

Основные выводы

1. Результаты патентного поиска и литературного обзора показали, что применяемые в настоящее время для разделения и очистки молока сепараторы обладают высокой энерго- и металлоемкостью и по ряду конструктивных параметров не соответствуют условиям эксплуатации, характерным для фермерских хозяйств, в особенности при содержании молочного поголовья на пастбищах.

2. Разработана новая конструкция гидроприводного сепаратора, включающего барабан, установленный на неподвижной полой оси, разделенной внутри перегородкой на верхнюю и нижнюю части с отверстиями. Нижняя часть оси служит для подвода молока в барабан с радиальными трубками в его основании, выведенными наружу под прямым углом. На их концах смонтированы сопла, благодаря которым при подаче молока под давлением в полость барабана создается реактивная тяга для его вращения. Верхняя часть служит для вывода сливок (патент № 2201806).

3. В результате теоретических исследований установлена производительность сепаратора (2.90) зависящая, в том числе от таких конструктивных параметров, как количество и диаметр сопел.

4. Из анализа полученной зависимости (2.90) производительности гидроприводного сепаратора от конструктивных параметров, следует, что рост производительности, может быть достигнут за счет изменения диаметра сопла с 1,0 мм до 2,0 мм и при количестве сопел с 4 до 2.

5. На основании результатов экспериментальных исследований выявлено, что процесс сепарирования наиболее эффективен при следующих оптимальных сочетаниях конструктивных параметров: диаметр сопла d=l,5 мм, количество сопел т=2. Давление в системе 0,11 МПа, при этом обеспечивается время разгона 2,0. .2,5 мин.

6. Разработана номограмма для установления рабочих параметров, обеспечивающих эффективную работу сепаратора в различных технологических режимах его использования и при различных исходных параметрах.

7. Разработаны поточно-технологические линии для трех технологических режимов: первичной обработки молока (работа сепаратора в режиме очистки); первичной обработки молока в случае эпизоотии (работа сепаратора в режиме очистки); первичной переработки молока (работа сепаратора в режиме очистки и сливкоотделения).

8. Сравнительные испытания показали, что применение гидроприводного сепаратора обеспечивает снижение приведенных затрат до 19 % при годовом экономическом эффекте в размере 11000 рублей - его использовании в линиях первичной обработки и 46500 рублей - при его использовании в линиях первичной переработки молока. Суммарные затраты мощности в установившемся режиме при сравнении с существующим сепаратором аналогичной производительности снижаются на 8. 10%. Металлоемкость снижена на 30. .35%.

9. Испытания осуществлены в производственных условиях в 2004-2005 г. г. в перерабатывающем мини-предприятии молочного комплекса ЗАО «Великолукское» Великолукского района Псковской области.

1. Авторское свидетельство № 591229 (СССР). Центрифуга для разделения полидисперсных жидкостных систем./ Б. X. Гайтов, В. В. Магеровский, А. А. Яценко, С. Г. Горбунов. Б. И., 1978, №5.

2. Авторское свидетельство № 729757 (СССР). Самотормозящийся асинхронный электродвигатель./ Б. X. Гайтов. Б. И. 1982, №48.

3. Авторское свидетельство №567500 (СССР). Бесприводный сепаратор./ Б. X. Гайтов, А. А. Яценко. Б. И., 1977, №29.

4. Авторское свидетельство №721124 (СССР). Центрифуга для разделения полидисперсных жидкостных систем./ Б. X. Гайтов. Б. И., 1980, №10.

5. Авторское свидетельство № 806130 (СССР). Центрифуга для разделения полидисперсных жидкостных систем./ Б. X. Гайтов, С. Г. Горбунов, Ю. П. Андреев, А. В. Косолапов. Б. И., 1981, №7.

6. Авторское свидетельство № 640339 (СССР). Способ изготовления магнитопровода самотормозящегося асинхронного электродвигателя./ Б. X. Гайтов.-Б. И., 1978, №48.

7. Авторское свидетельство № 636033 (СССР). Сепаратор для разделения полидисперсных систем./ Б. X. Гайтов, С. Г. Горбунов, Ю. П., В. Р. Мелихов, Л. П. Исраилов, Ю. П. Андреев. Б. И., 1978, №45.

8. Авторское свидетельство № 642004 (СССР). Способ уравновешивания барабана сепаратора при запуске и остановке./ В. В. Магеровский, Б. X. Гайтов, Г. Г. Ранев, А. А. Яценко. Б. И., 1979, № 2.

9. Авторское свидетельство № 745542 (СССР). Сепаратор для разделения полидисперсных систем./ Б. X. Гайтов, С. Г. Горбунов, Ю. П. Андреев. Б. И. ,1980, №25.

10. Авторское свидетельство № 525475 (СССР). Центрифуга для разделения полидисперсных жидкостных систем./ Б. X. Гайтов, В. В. Магеровский. Б. И. ,1976, №31.

11. Атраментов А.Г. Совершенствование первичной обработки молока. М.: Агропромиздат, 1990. - 60 с.

12. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В., Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 280 с.

13. Ананьин А. Д. Бизнес планирование в дипломных проектах по механизации производства и переработки продукции животноводства. - Уфа: БГАУ, 2002. - 105 с.

14. Биркган Ю. Б. Центрифуги, их работа М.: Госмашлитиздат, 1934. - 158 с.

15. Бремер Г. И. Жидкостные сепараторы. М.: Машгиз, 1957. - 243 с.

16. Бремер Г. И. Молочные сепараторы, теория, расчет, конструкция и производство сельхозмашин. М.: Сельхозгиз, 1936. - 356 с.

17. Багиров Б.М. Основы гидрофикации рабочих органов сельскохозяйственных машин. Баку: Элм, 1988. - 168 с.

18. Барабанщиков Н. В. Качество молока и молочных продуктов. М.: Колос, 1980.-90 с.

19. Волчков И. И. Обобщающий доклад о выполненных работах по созданию оригинальных конструкций машин и изобретениях, внедренных в молочной промышленности, представленных на соискание ученой степени к. т. н. М.: Пищепромиздат, 1963. - 125 с.

20. Волочков И.И. Сепараторы для молока и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1975. - 140 с.

21. Вагин Б. И., Побединский В. М. Практикум по механизации животноводческих ферм. Л.: Колос, 1983. - 196 с.

22. Валге А. М., Обработка экспериментальных данных и моделирование динамических систем при проведении иследований по механизации сельскохозяйственного производства. Санкт-Петербург: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 2002.-173 с.

23. Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. -195 с.

24. Васильев JI. Г. Гигиеническое и противоэпидемическое обеспечение производства молока и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1990.-117 с.

25. Власов Н. С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1968. 128 с.

26. Гайтов Б. X. Управляемые двигатели-машины. М.: Машиностроение, 1981.- 183 с.

27. Гайтов Б. X. исследование о обоснование рационального электропривода молочных центрифуг. Автореф.дисс. . канд. техн. наук. М., 1965. - 20 с.

28. Гидроприводы сельскохозяйственных машин./ Под ред. И. А. Немировского. Киев.: Техника, 1979. - 140 с.

29. Гузенков П. Г. Детали машин. М.: Высшая школа, 1986. - 359 с.

30. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатом издат, 1990. - С. 18-72.

31. Гальперин Д. Н. Оборудование молочных предприятий: монтаж, наладка и ремонт. Справочник. Ь.: Агропромиздат, 1990. - 352 с.

32. Григорьев М. А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1983. - 148 с.

33. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. / Под ред. Т. М. Башта.

34. Горбатов А. В. Гидравлика и гидравлические машины для пластично-вязких мясных и молочных продуктов.

35. Гусейнов Р.Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С. Совершенствование методов сепарирования молока. //Сб. науч. тр./ По материалымеждународной научно-практической конференции посвященной 25-летию Смоленского сельхозинститута, 1999. С. 63-65.

36. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С. Экспериментальная установка гидроприводного молочного сепаратора. //Сб. науч. Тр./ Великие Луки, 2001. С. 291-294.

37. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С. К вопросу исследования сепаратора-сливкоотделителя с гидроприводом. //Сб. науч. тр./ Тезисы XXXIV межвузовской научно-практической конференции. Великие Луки, 2001.-С. 266-269.

38. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С. Сепараторы. Сельский механизатор, №11, 2001. С. 33.

39. Гусейнов Р. Г., Сукиасян С. М., Дружинина Е. С. Контроль технического состояния сепаратора. //Сб. науч. тр./ по материалам научно-практической конференции.- Великие Луки, 2003.

40. Гусейнов Р. Г., Шилин В. А., Дружинина Е. С., Зайцев В. А. Центробежный сепаратор для фермерских хозяйств//Сб. науч. тр. / По материалам научно-практической конференции. Великие Луки, 2006. - Ч. 2. -С. 134-136.

41. Детина А.Ф., Куранов А.Г. Гидропривод машин для животноводства и кормопроизводства, М.: Колос, 1984. 223 е.: ил.

42. Доспехов Б. А. Планирование полевого опыта и статистическая обработка его данных. М.: Колос, 1972. - 207 с.

43. Дружинина Е. С. Теоретическое обоснование процесса разделения молока в сепараторе с гидроприводом. //Сб. науч. тр./ Наука и передовой опыт -аграрному производству. Великие Луки, 2002. - Ч. 2. - С. 62-72.

44. Жарский М. А. Принципиальные схемы и расчет объемных гидроприводов мобильных машин.

45. Исаев А.П. и др. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов: По спец. «Механизация сельского хозяйства»/А.П. Исаев, Б.И. Сергеев, В.А. Дипур. -М.: Агропромиздат, 1990. 400 е.: ил.

46. Искандарян М. И. Механизация животноводческих ферм./ Методические указания. М.: ВСХИЗО, 1978. - с. 67-73.

47. Иванов М. Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1991, - 383 с.

48. Кук Г. А. Процессы и аппараты молочной промышленности. Том 1. М.: Пищепромиздат, 1955.

49. Кук Г. А. Процессы и аппараты молочной промышленности. Том 2. М.: Пищепромиздат, 1960. - 286 с.

50. Краморов Ю. И. Высокоскоростные машины в сельском хозяйстве. Теория, расчет, конструкция. Краснодар, 1970. 260 с.

51. Кунижев С.М. Новые технологии в производстве молдочных продуктов/ С.М. Кунижев, В.А. Шувалев. М.: Дели принт, 2004. - 202 е.: ил.

52. Коптеев В. В., Богомягких В. А, Трифонова М. Ф. Основы научных исследований и патентоведения. М.: Колос, 1993. - 144 с.

53. Кавецкий Г. В., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. -М.: Колос, 2000. 551 с.

54. Кормановский JI. П., Морозов Н. М., Цой Л. М. Обоснование системы технологий и машин для животноводства. М.: ИК «Родник», ж-л «Аграрная наука», 1999. 228 с.

55. Крусь Г. Н. Технология молока и оборудование предприятий молочной промышленности. М.: Агропромиздат, 1986. - 350 с. ил.

56. Курочкин А. А., Ляшенко В.В. Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства. / Под ред. В. М. Баутина. М.: Колос, 2001.-400 с.

57. Космодемьянский А. А. Курс теоретической механики. М.: Просвещение, 1966. - 395 с.

58. Липатов Н. Н. Сепарирование молока. М.: Пищепромиздат, - 1960. - 255 с.

59. Липатов Н. Н. Сепарирование в молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1971. - 399с.

60. Липатов П. Н. Молокоочистители. М.: Машгтз, 1963. 69 с.

61. Лукьянов Н. А. Теория и расчет молочных сепараторов. М.: Пищепромиздат, 1950. - 131 с.

62. Ловкие 3. В. Гидроприводы сельскохозяйственной техники: конструкция и расчет.

63. Макаров В. А. Ветеринарно-санитарная экспертиза с основами технологии и стандартизации продуктов животноводства. М.: ВО Агропромиздат, 1991. - 464с.

64. Методы контроля заготовляемого молока.// Молочная промышленность. №2. -2005. с.21.

65. Марзаганов А. М. Исследование динамики центрифуг с приводом барабана от ЭД повышенной частоты через гидромуфту: Автореф.дисс. . канд. техн. наук. Орджоникидзе, 1971. - 34 с.

66. Мельников С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. -М.: Колос, 1978.-557 с.

67. Мельников С. В., Алешкин В. Р., Рощин П. М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. - 168 с.

68. Мельников С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. -Л.: Колос, 1978.-560 с.74. . Машины и оборудование для цехов и предприятий малой мощности по переработке сельскохозяйственного сырья. Каталог. М.: Информагротех, 1992. Ч. I.e.

69. Машины и оборудование для цехов и предприятий малой мощности по переработке сельскохозяйственного сырья: Каталог. Ч. 1,- М.: Информагротех, 1992. 257 с.

70. Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для перерабатывающих отраслей АПК: Каталог. Т.1., Ч. 3 «Молочная промышленность». -М.: АгроНИИТЭИИТО, 1990. 258 с.

71. Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для перерабатывающих отраслей АПК: Каталог дополнение. 4.1. - М.: Информагротех, 1995. - 97 с.

72. Милюткин В. А. Машины и оборудование для цехов и предприятий малой мощности по переработке сельскохозяйственного сырья. Самара, 2002. -190 с.

73. Методические рекомендации по определению технико-экономического уровня машин для животноводства. УкрНИИМЭСХ. Киев, 1983. 81 с.

74. Морозов П. М. Программа и методика проведения исследований по разработке систем машин для комплексной механизации животноводства и птицеводства на период 2000 года. М.: ВИЭСХ, 1981.-81 с.

75. Показатели производства молочных продуктов. // Молочная промышленность. №12. 2005. - с.6.

76. Проблемы в энергетики в сельском хозяйстве// Техника и оборудование для села№2,-2001.-с. 16-17.