CC BY
13
УДК 637.2+631.242.34
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ С РОТОРНО-ЛОПАСТНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ
Ю. В. Полывяный, канд. техн. наук, доцент; В. С. Парфенов, канд. техн. наук, профессор; А. В. Яшин, канд. техн. наук, доцент; В. А. Чугунов, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВО Пензенскй ГАУ, Россия, e-mail: mr. polyvyanyy@mail.ru
Существует множество конструкций маслоизготовителей периодического действия, применяемых в хозяйствах. Сбивание сливочного масла длится от получаса до двух часов, что существенно сказывается на затратах энергии при сбивании. Поэтому перспективной является разработка механизма сбивания маслоизготовителя периодического действия в виде роторно-лопастного рабочего органа, который будет способствовать снижению энергоемкости и увеличению производительности.
Для проведения исследований изготовлена экспериментальная установка, состоящая из маслоизготовителя, электродвигателя, преобразователя частоты, мультиметра. Механизм сбивания выполнен в виде полого роторно-лопастного рабочего органа. В статье приведен анализ результатов экспериментальных исследований по определению оптимальных конструктивных и кинематических параметров маслоизготовителя периодического действия с ро-торно-лопастным рабочим органом. С целью определения оптимальных значений в основу трехфакторного эксперимента положен D - оптимальный план.
Ключевые слова: бегущая волна, маслоизготовитель периодического действия, механизм сбивания, сливки.
Введение
Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена экспериментальная установка (рис. 1), состоящая из маслоизготовителя 1, электродвигателя 2, преобразователя частоты 3, мультиметра 4.
7 7 3
Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - маслоизготовитель; 2 - электродвигатель; 3 - преобразователь частоты;
4 - мультиметр MAS - 345
Маслоизготовитель (рис. 2) [2, 3] состоит из цилиндрической горизонтально расположенной емкости 1, закрепленной на опорах 2, и механизма сбивания 3, расположенного с эксцентриситетом относительно оси емкости.
5
Рис. 2. Общий вид маслоизготовителя периодического действия: 1 - емкость маслоизготовителя; 2 - опоры;
3 - роторнолопастной рабочий орган;
4 - люк загрузочный; 5 - зажим
Методика исследований
В качестве материала для изготовления роторно-лопастного рабочего органа был выбран АБС-пластик. Он обладает повышенной ударопрочностью, нетоксичностью, долговечностью в отсутствие прямых солнечных лучей и ультрафиолета, стойкостью к щелочам и моющим средствам, теплостойкостью.
Применение АБС-пластика в пищевой промышленности разрешено Минздравом Российской Федерации.
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 85
При проведении экспериментальных исследований частоту вращения роторно-лопастного рабочего органа регулировали с помощью преобразователя 4.
Коэффициент заполнения емкости при сбивании составлял 0,4-0,8. При коэффициенте заполнения свыше 0,8 сбивание сливок замедлялось и происходило увеличение отхода жира в пахту вследствие уменьшения пограничной поверхности воздух-сливки. При коэффициенте заполнения емкости ниже 0,4 сливки разбрызгивались роторно-лопастным рабочим органом на стенки емкости и процесс сбивания не осуществлялся.
Предварительные исследования мас-лоизготовителя показали, что волновое движение, вырабатываемое роторно-лопастным рабочим органом, начинается при частоте 200 мин-1 и заканчивается при 600 мин-1. При частоте вращения свыше 600 мин-1 сливки помимо волнового движения по профилю ротора выбрасывались его лопастями [2]. На основании этого частота вращения механизма сбивания была выбрана 200 мин-1 и 600 мин-1.
Исходя из того, что степень сбивания и сокращение застойных зон зависят от расположения роторно-лопастного рабочего органа, эксцентриситет роторно-лопастно-го 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 роторно-лопастного рабочего органа относительно центра емкости 43 мм обеспечивает нормальные условия для формирования бегущей волны.
Количество лопастей выбрали в диапазоне от 2 до 4 исходя из того, что чем больше лопастей будет у рабочего органа, тем меньше будет объем сливок, захватываемых лопастями. Таким образом, форма рабочего органа будет приближаться к окружности, а следовательно, сливки будут скользить относительно нее, что приведет к увеличению времени сбивания.
Исследования проводили согласно действующим ГОСТам.
При проведении экспериментальных исследований в качестве критерия оптимизации У была выбрана энергоемкость сбивания.
Для исследований использовали сливки жирностью 36% и температурой 1СРС , отвечающие требованиям ГОСТ Р 520542003 «Молоко натуральное коровье - сырье. Технические условия». В ходе проведения экспериментов они принимались постоянными.
Исходя из того, что предельная ошибка во всех опытах приближенно равна наибольшей возможной статистической, была выбрана трехкратная повторность опытов [4]. Для объективной оценки процесса сбивания первоначально было выбрано свыше пятнадцати факторов, которые характеризовали физико-механические свойства сливок и сливочного масла, конструктивные и кинематические параметры маслоиз-готовителя. Поскольку при исследовании процесса трудно охватить влияние всех факторов и их взаимодействие, то на основании поисковых опытов и теоретического обоснования процесса работы были выбраны наиболее значимые факторы:
- частота вращения роторно-лопастно-го рабочего органа;
- коэффициент заполнения емкости;
- количество лопастей роторно-лопаст-ного рабочего органа;
- количество отверстий на лопасти ро-торно-лопастного рабочего органа;
- диаметр отверстий на лопасти ротор-но-лопастного рабочего органа;
- угол наклона осей отверстий относительно оси роторно-лопастного рабочего органа;
- работа с подачей воздуха и без него;
- давление воздуха на выходе из отверстий.
В результате проведения отсеивающего эксперимента были выбраны наиболее значимые факторы:
- частота вращения роторно-лопастно-го рабочего органа;
- коэффициент заполнения емкости;
Таблица 1
Факторы, влияющие на энергоемкость сбивания сливочного масла, и уровни их варьирования
Фактор Обозначение Уровни факторов Интервал варьирования
-1 0 +1
Количество лопастей роторно-лопастного рабочего органа, шт. х1 - Zл 2 3 4 1
Частота вращения роторно-лопастного рабочего органа, мин-1 Ж2 - Пр 200 400 600 200
Коэффициент заполнения емкости хз 0,4 0,6 0,8 0,2
- количество лопастей роторно-лопаст-ного рабочего органа.
Таблица 2
Матрица и результаты трехфакторного эксперимента
№ Xl x2 x^ Y, Вт - ц
nrviac.n*
1 1 1 1 14,16
2 1 1 -1 11,45
3 1 -1 1 14,87
4 1 -1 -1 17,16
5 -1 1 1 16,06
6 -1 1 -1 12,2
7 -1 -1 1 15,16
8 -1 -1 -1 12,56
9 1 0 0 10,42
10 -1 0 0 13,11
11 0 1 0 10,41
12 0 -1 0 12,78
13 0 0 1 11,89
14 0 0 -1 9,53
15 0 0 0 7,36
В последующих экспериментальных исследованиях определялось влияние этих факторов на энергоемкость.
С целью определения оптимальных значений конструктивных и кинематических параметров в основу трехфакторного эксперимента был положен D - оптимальный план [4]. Факторы и уровни их варьирования представлены в таблице 1.
Матрица планирования трехфакторно-го эксперимента приведена в таблице 2, в левой части которой приведен план эксперимента в кодированной форме, а в столбце Y - значение критерия оптимизации. Результаты исследований Результаты экспериментальных исследований обработаны модулем Multiple Regression программы Statistica 6.0 и сведены в таблице 3[5].
В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии второго порядка, описывающее зависимость энергоемкости сбивания (Вт ч/ кг) от выбранных факторов, E = f (z№ пр,). В закодированном виде:
Е = 7,36-0,103000' хг-0,825000' х2 + + 0,924000" х3- 0,870000' х/ - 0,755000 х* х3 +0,782500' х2' х3 +4,405' xf + 4,235' х22 + 3,35' х32-5,148' xf' xf
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 87
Знак «минус» в факторе x1 говорит о том, что с уменьшением количества лопастей роторно-лопастного рабочего органа энергоемкость будет снижаться.
Несмотря на то, что мощность, затрачиваемая на сбивание, у лопастных машин пропорциональна кубу частоты вращения, знак «минус» в факторе x2 объясняется появлением бегущей волны, состоящей из трех потоков (рис. 3), снижающей энергоемкость сбивания.
Знак «плюс» в факторе x3 говорит о том, что чем больше будет коэффициент заполнения емкости, тем меньше будет затрачиваться удельной энергии на сбивание вследствие возникновения бегущей волны.
Адекватность полученного уравнения регрессии подтверждается множественным коэффициентом корреляции Rk = 0,97 и сходимостью расчетных и опытных данных - F-тест = 0,968.
Для определения оптимальных конструктивных и кинематических параметров маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом определяли экстремум при решении полученного уравнения.
При этом оптимальные значения факторов в закодированном виде составили: x1 = 0, x2 = 0,112, x3 = - 0,15. Полученные двухмерные сечения (рис. 3, 4, 5) указывают на нахождение экстремума и получение минимальной энергоемкости сбивания маслоизготовителя периодического действия с роторно-лопастным рабочим органом.
Рис. 5. Двухмерные сечения поверхности отклика, характеризующие зависимость энергоемкости сбивания сливочного масла от количества лопастей ротора (шт.) и коэффициента заполнения емкости
Рис. 4. Двухмерные сечения поверхности отклика, характеризующие зависимость энергоемкости сбивания сливочного масла от количества лопастей ротора (шт.) и частоты вращения ротора (мин-1)
Рис. 6. Двухмерные сечения поверхности отклика, характеризующие зависимость энергоемкости сбивания сливочного масла от частоты вращения ротора (мин-1) и коэффициента заполнения емкости
По полученным значениям проводили интерполяцию по каждому фактору согласно таблице 1. В раскодированном виде оптимальные значения факторов равны:
- количество лопастей роторно-лопаст-ного рабочего органа zр = 3;
- частота вращения роторно-лопастно-го рабочего органа пр= 422 мин-1;
- коэффициент заполнения емкости фзап= 0,57.
Таблица 3
Уровни значимости факторов для энергоемкости сбивания
a0 a1 a2 a3 a12 a13 a23 а11 a22 a33 a1122
Estimate 7,36 -0,103 -0,825 0,924 -0,87 -0,755 0,7825 4,405 4,235 3,35 -5,148
Энергоемкость сбивания маслоизгото-вителя периодического действия с ротор-но-лопастным рабочим органом при этом составляет Е = 7,24 Втч/кг.
Работа проводилась при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере согласно инновационному проекту «У. М. Н. И. К.» (г. Пенза, 2014 г.) по теме «Разра-
ботка инновационных технических средств для производства сливочного масла».
Выводы
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.
Литература
1. Парфенов, В. С. Маслоизготовитель для хозяйств с небольшим объемом производства /
B. С. Парфенов, А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - № 6. -
C. 30-31.
2. Парфенов, В. С Маслоизготовитель периодического действия / В. С. Парфенов, А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный // Нива Поволжья. - 2014. - № 1 (30). - С. 88-91.
3. Парфенов, В. С Обоснование конструктивных параметров волнообразного ротора масло-изготовителя периодического действия / В. С. Парфенов, А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный // Нива Поволжья. - 2014. - № 4 (33). - С. 95-102.
4. Парфенов, В. С. Устройство для изготовления сливочного масла / В. С. Парфенов, А. В. 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 А 01Л5/00. Маслоизготовитель периодического действия / В. С. Парфенов, А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный, В. Н. Стригин. - № 2012129083/10; Заявлено 10.07.2012; опубл. 10.09.2013, Бюл. № 25.
6. Парфенов, В. С. Экспериментальный маслоизготовитель периодического действия / В. С. Парфенов, А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный // Бъдещите изследвания: материали за 10-а международна научна практична конференция. Том 40. Сельско стопанство. - София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2014. - С. 10-12.
7. Полывяный, Ю. В. Маслоизготовитель периодического действия / Ю. В. Полывяный, В. С. Парфенов, А. В. Яшин // Восьмой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. -Саратов, 2013 - С. 136.
8. Полывяный, Ю. В. Маслоизготовитель для проведения лабораторных исследований / Ю. В. Полывяный, А. В. Яшин // Научные исследования молодых ученых - сельскому хозяйству России: тр. Всерос. совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. - С. 30-32.
9. Инновационное предложение производства сливочного масла для малых сельскохозяйственных товаропроизводителей / В. С. Парфенов, А. В. Яшин, В. Н. Стригин, Ю. В. Полывяный // Актуальные проблемы агроинженерии и их инновационные решения: сборник научных трудов по материалам междунар. науч.-практ. 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.
10. Сидняев, Н. И. Теория планирования эксперимента и анализ статистических данных: учебное пособие для магистров / Н. И. Сидняев. - М.: Издательство Юрайт; ИД Юрайт, 2012. -399 с. - Серия: Магистр.
11. Коновалов, В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ: учебное паособие / В. В. Коновалов // Учебное пособие. - Пенза: ПГСХА, 2003. - 176 с.
12. Парфенов, В. С Результаты экспериментальных исследований маслоизготовителя периодического действия / В. С. Парфенов, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков / Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003. - № 12. - С. 14-15.
13. Парфенов, В. С Маслоизготовитель периодического действия / В. С. Парфенов, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков // Сельский механизатор. 2003. - № 8. - С. 31.
14. Добролюбов, А. И. Бегущие волны деформации / А. И. Добролюбов. - 2-е изд., испр. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 144 с.
15. Яшин, А. В. К вопросу об повышении эффективности механической обработки масляного пласта / А. В. Яшин, Ю. В. Полывяный, Н. С. Кудеркин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник статей Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 65-летию ФГБОУ Во Пензенская ГСХА. - 2016. - С. 241-243.
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 89
UDK 637.2+631.242.34
ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES OF BUTTER MAKER OF PERIODIC ACTION WITH ROTARY-BLADE WORKING BODY
Yu. V. Polyvyanny, candidate of technical sciences, assistant professor; V.S. Parfyonov, candidate of technical sciences, professor; A. V. Yashin, candidate of technical sciences, assistant professor; V.A. Chugunov, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HE Penza SAU, Russia, e-mail: mr. polyvyanyy@mail.ru
There are many designs of butter makers of periodic action applied on farms. The process of churning butter lasts from an hour to two hours, which significantly affects the energy consumption during churning. Therefore, it is promising to develop the churning mechanism of a butter maker of periodic action in the form of a rotary-blade working body, which will help to reduce energy consumption and increase productivity.
For the research to be conducted an experimental unit was constructed, it consisted of a butter maker, electric motor, frequency converter and multi-meter. Mechanism of churning is made in the form of a hollow blade of the working body. The article presents the analysis of the results of experimental studies to determine optimal design and kinematic parameters of butter maker of periodic action with rotary blade working body. To determine the optimal values D - optimal plan was laid into the basis of three-factor experiment.
Key words: running wave, butter maker of periodic action, churning mechanism, cream.
References:
1. Parfyonov, V. S. Butter maker for farms with a small production / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany // Tekhnika v selskom khozyaistve. - 2013. - No. 6. - P. 30-31.
2. Parfyonov, V.S. Butter maker of periodic actions / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany // Niva Povolzhya. - 2014. - № 1 (30). - P. 88-91.
3. Parfyonov, V.S. Reasoning for design parameters of the wavy rotor in butter maker of periodic actions / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany // Niva Povolzhya. - 2014. - № 4 (33). - P. 95-102.
4. Parfyonov, V. S. A device for the manufacture of butter / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany // XXI vek: the results of the past and challenges of the present plus. - Penza: Publishing house of Penz. State technological university, 2014. - № 6(22). - P. 177-180.
5. Pat. 2491813 RF, IPC A 01J15/00. Butter maker of periodic actions / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany, V. N. Strigin. - No 2012129083/10; Stated 10.07.2012; publ. 10.09.2013, Bull. No. 25.
6. Parfyonov, V. S. Experimental butter maker of periodic actions / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyany // Bytesite izsledvania: materials 10-international scientific and practical conference. 40. Rural stopanstvo. - Sofia "byal GRAD-BG" LTD., 2014. - P. 10-12.
7. Polyvyany, Yu. V. Butter maker of periodic action / Polyvyany Yu. V., V. S. Parfyonov, A. V. Yashin // 8th Saratov salon of inventions, innovations and investments. - Saratov, 2013 - 136 p.
8. Polyvyany, Yu. V. Butter maker for laboratory studies / Yu. V. Polyvyany, Yashin A.V. // Scientific researches of young scientists to agriculture of Russia: works of All-Russian Council of young scientists and specialists of the agricultural educational and research institutions. - M.: FSBSI "Rosinformagro-tech", 2014. - P. 30-32.
9. Innovative butter production for small agricultural producers / V. S. Parfyonov, A. V. Yashin, V. N. Strigin, Polyvyany Yu. V. // Actual problems of agro-engineering and their innovative solutions: collection of scientific works on materials of the international. scientific-practical conference dedicated to the anniversary of special. departments of the engineering faculty (60 years of the departments "Exploitation of machine-tractor park", "Technology of metals and repair of machines", "Agricultural, road and special machines", 50 years of the Department "Mechanization of animal husbandry"). - Ryazan: RSATU, 2013. - P. 223-228.
10. Sidnyayev, N. I. Theory of experiment planning and statistical data analysis: the textbook for Masters / N. I. Sidnyaev. - M.: Publishing house of ID Yurait, 2012. - 399 p. - Series: the Master.
11. Konovalov, V. V. Practicum on the processing of research results by means of computer: textbook / V. V. Konovalov // textbook. - Penza: SAA, 2003. - 176 p.
12. Parfyonov, V.S. the Results of experimental studies of butter maker of periodic action / V. S. Parfyonov, V. V. Konovalov, V. P. Terushkov / Mechanization and electrification of agriculture. - 2003. - No. 12. - P. 14-15.
13. Parfyonov, V.S. Butter maker of periodic actions / V. S. Parfyonov, V. V. Konovalov, V. P. Terushkov // Selsky mekhanizator. 2003. - No. 8. - 31 p.
14. Dobrolyubov, A. I. Running waves of deformation / A. I. Dobrolyubov. - 2nd ed. Rev. - M.: Editorial URSS, 2003. - 144 p.
15. Yashin, A. V. To the question of improving the efficiency of machining of the butter layer / V. A. Yashin, Yu.V. Polyvyany, N. S. Kuderkin // Contribution of young scientists to the innovative development of agriculture of Russia: collection of articles of International scientific-practical conference of young scientists, dedicated to the 65th anniversary of the Penza SAA. - 2016. - P. 241-243.
