CC BY
0
УДК 621.43.038
DOI 10.36461/NP.2022.63.3.015
КОНСТРУКЦИЯ И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫЙ АНАЛИЗ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА
А.В. Яшин, канд. техн. наук, доцент; В.А. Овтов, канд. техн. наук, доцент; Ю.В. Полывяный, канд. техн. наук, доцент; А.А. Гусев, аспирант
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, е-maiL: yashin.a.v@pgau.ru
Одной из важнейших мер предохранения молока от порчи является его своевременное охлаждение и хранение в таком состоянии до отправки или переработки на молочных комбинатах. Благодаря охлаждению в молоке приостанавливается размножение микроорганизмов, увеличивается бактерицидный период, что способствует более длительной сохранности продукта. Процессы первичной обработки молока, такие как фильтрация и охлаждение молока, имеют важное значение, поскольку качественная очистка молока от механических примесей, своевременное и глубокое его охлаждение повышают качественные показатели молока, делают его молоком высшего сорта, первой группы чистоты, что значительно увеличивает его стоимость. Следовательно, использование разработанной конструкции устройства для первичной обработки молока способствует повышению эффективности процесса первичной обработки молока на МТФ. Выполненный напряженно-деформированный анализ деталей устройства для первичной обработки показывает, что прочность и жесткость спроектированных деталей фильтра-охладителя обеспечена.
Ключевые слова: молоко, фильтр, устройства для первичной обработки, напряженно-деформированный анализ, конструкция, давление.
Для цитирования: Яшин А.В., Овтов В.А., Полывяный Ю.В., Гусев А.А. Конструкция и напряженно-деформированный анализ устройства для первичной обработки молока. Нива Поволжья, 2022, 3 (63), с. 3005. DOI10.36461/NP.2022.63.3.015
Введение
Молоко используют либо как продукт питания в не переработанном или переработанном виде, либо как сырье для молочной и пищевой отраслей промышленности. Молоко имеет высокую пищевую и биологическую ценность. В его состав входят необходимые для организма человека и хорошо усвояемые пищевые компоненты: молочный жир, белки, углеводы, молочный сахар и минеральные вещества. К отличительным особенностям молока как сырья относится то, что, являясь источником полноценного белка, оно поликомпонентно по составу, неадекватно по функционально-технологическим свойствам, биологически активно и под влиянием внешних факторов лабильно изменяет свои свойства и параметры. В связи с этими обстоятельствами рациональное и рентабельное использование сырья, выработка высококачественных молочных продуктов могут быть достигнуты при условии профессионального понимания основных принципов и закономерностей процессов, заложенных в технологии молока [1]. Перечень технологических операций по первичной обработке и
переработке молока в значительной мере зависит от назначения получаемого молока и другой молочной продукции как сырья для молочной промышленности или готовых для реализации населению продуктов [16-20].
В большинстве случаев свежевыдоенное парное молоко при получении его от здоровых коров подвергается на фермах первичной обработке, очистке и охлаждению, а затем транспортируется на предприятия молочной промышленности для переработки в различные продукты, поступающие в торговую сеть для реализации потребителей, о случае возникновения на животноводческих фермах эпизоотии молоко перед отправкой его на молочные заводы должно быть подвергнуто тепловой обработке - пастеризации с последующим охлаждением.
В соответствии с требованием ТУ, молоко должно быть получено от здоровых коров и сразу же после дойки, а лучше во время нее профильтровано и охлаждено до температуры 4 ± 1 °С. Операции по охлаждению молока в настоящее время также регламентирует ГОСТ 31449-2013 «Молоко коровье сырое. Технические условия»
[2]. В соответствии с ГОСТ охлаждение молока проводят в хозяйствах не позднее двух часов после дойки до температуры (4±2)°С. Такие жесткие требования к охлаждению молока вызваны прямой зависимостью длительности бактерицидной фазы от температуры хранения.
Согласно Федеральному закону от 23 ноября 2009 года № 126-ФЗ допускается хранение сырого молока не более, чем 36 часов с учетом времени перевозки при температуре 4°С. Считается, что именно при такой температуре возможно обеспечение бактериальной стабильности.
Анализ состояния вопроса первичной обработки молока на МТФ показывает, что процессам первичной обработки молока, таким как фильтрация и охлаждение молока, следует уделять особое внимание, поскольку качественная очистка молока от механических примесей, своевременное и глубокое его охлаждение повышают качественные показатели молока и делают его молоком высшего сорта, первой группы чистоты, а, следовательно, значительно увеличивают его стоимость, что в условиях фермерских хозяйств
приведет к существенному улучшению финансовых показателей хозяйствующего субъекта.
Разработка устройств для первичной обработки молока, влияющих на его качественные показатели, на сегодняшний день является актуальной.
Методы и материалы Для охлаждения молока на фермах применяют теплообменные аппараты и установки различных конструкций с различными системами охлаждения и пастеризации. При этом наибольшее распространение нашли оросительная и зме-евиковая системы охлаждения резервуаров.
Проведенный анализ имеющихся конструкций магистральных фильтров позволил выявить их недостатки. В качестве прототипа конструкции фильтра выбран вакуумный молочный фильтр-охладитель (А.с. №1812937) [3]. Предлагаемая конструкция устройства для первичной обработки молока, позволяющая одновременно с фильтрацией молока охлаждать его, что повышает его время хранения и, соответственно, качество продукции, представлена на рисунке 1.
б)
Рис. 1. Конструкция (а) и общий вид (б) предлагаемого устройства для первичной обработки молока: 1 - корпус; 2 - змеевик; 3 - патрубок ввода молока; 4 - патрубок перепускной; 5 - патрубок вывода молока; 6 - гайка накидная; 7 - прокладка уплотнительная; 8 - перегородка; 9 - элемент фильтрующий; 10 - фланец; 11 - клапан; 12 - пробка; 13 - шток
Результаты и их обсуждение
Змеевик устройства для первичной обработки молока изготовленный из стали 12Х18Н10Т с наружным диаметром й = 15 мм, внутренним диаметром трубки = 13 мм и
толщиной стенки 1 мм, подвергается внутреннему давлению 0,3 МПа. Напряженно-деформированный анализ состояния змеевика фильтра-охладителя проводился с использованием модуля APM FEM для КОМПАС-30 [4-15]. Модель
с заданными нагрузками и результаты напря- графическом виде представлены на рисунках 2 и женно-деформированного анализа змеевика 3. устройства для первичной обработки молока в
Рис. 2. Модель змеевика с заданными нагрузками (а) и модель, разбитая на сетку конечных элементов (б)
б
Рис. 3. Результаты расчетов змеевика: а - напряжения по Мизесу; ■ запас прочности; в - запас текучести; г - вариант потери устойчивости
Эквивалентные напряжения в змеевике изменяются в пределах от 2,88 до 16,97 МПа, максимальные значения напряжений на входе и выходе в змеевик, а минимальные значения на витках змеевика (рис. 3 а). На рисунках 3 б и 3 в показаны значения коэффициента запаса прочности материала и коэффициента запаса по текучести материала всей длине змеевика, при этом минимальное значение коэффициента запаса прочности на входе и выходе из змеевика составляет 2,39 и максимальное значение на витках змеевика 7,41, а значения коэффициентов запаса по текучести соответственно 3,21 и 6,49.
Анализ полученных результатов напряженно-деформированного состояния вала показывает, что максимальные значения эквивалентных напряжений составляют 16,97 МПа, что значительно ниже предела текучести для стали 12Х18Н10Т. При этом коэффициент запаса прочности равен 2,39, а минимальное значение
коэффициента запаса по текучести составляет 3,21. Корпус устройства для первичной обработки молока нагружен внутренним избыточным давлением составляющим Р2 = 0,1 МПа. Модель и результаты напряженно-деформированного анализа корпуса фильтра-охладителя в графическом виде представлены на рисунках 4 и 5.
Эквивалентные напряжения корпуса фильтра изменяются в пределах от 1,02 до 21,36 МПа (рис. 5 а), при этом большая поверхность корпуса испытывает незначительные напряжения в пределах от 1,02 до 4,09 МПа и только в тех сечениях где имеются концентраторы напряжений в виде галтелей напряжения достигают максимальных значений.
Анализ полученных результатов напряженно-деформированного состояния корпуса показывает, что максимальные значения эквивалентных напряжений составляют 21,36 МПа, и при этом коэффициент запаса прочности равен
19,28, а минимальное значение коэффициента запаса по текучести составляет 11,05.
Рис. 4. Модель фильтра с заданными нагрузками и совпадающими поверхностями (а) и модель, разбитая на сетку конечных элементов (б)
Оапм
Рис. 5. Результаты расчетов фильтра: а - напряжения по Мизесу; б - запас прочности; в - запас текучести; г - деформации
Также из полученных результатов можно сделать вывод, что максимальные деформации корпуса незначительны и составляют около 0,005 мм.
Заключение
Разработанная конструкция устройства для первичной обработки молока обеспечите
качественный процесс его очистки и охлаждения. Выполненный напряженно-деформированный анализ деталей устройства для первичной обработки молока показывает, что прочность и жесткость спроектированных и смоделированных деталей устройства обеспечивается с большим запасом.
Литература.
1. Бурыкина И.М. Научные аспекты формирования качества сырого молока (на примере Вологодской области): монография. Вологда: ИЦ ВГМХА, 2009. 112 с.
2. Межгосударственный стандарт «молоко коровье сырое. Технические условия» [Электронный ресурс]. https://fiLes.stroyinf.ru/Data2Д/4293780/4293780016.pdf / (дата обращения 14.11.2022).
3. Авторское свидетельство № 1812937 СССР, МПК A01J11/06. Вакуумный молочный фильтр-охладитель: №4948989/15. Киренков Л. И. Опубл. 30.04.1993
4. Овтов В.А., Яшин А.В. Исследование разрушения вала с применением компьютерного моделирования. Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2021, № 4, с. 25-27.
5. Овтов В.А., Яшин А.В., Халеев Д.Ю. Напряженно-деформированный анализ деталей и узлов посевной секции зерновой сеялки. Аграрный научный журнал, 2021, № 5, с. 96-98.
6. Овтов В.А., Яшин А.В., Гудин В.М. [и др.]. Напряженно-деформированный анализ вала шнеко-вого ориентирующего устройства. Сурский вестник, 2020, № 4 (12), с. 66-69.
7. Сафонов В.В., Шишурин С.А., Горбушин П.А., Гурьев А.Е. Расчет износостойкости нанокомпо-зиционного гальванического покрытия. Научная мысль, 2016, № 5, с. 136-139.
8. Шарая О.А., Водолазская Н.В. Технологические аспекты модифицирования поверхностного слоя деталей сельскохозяйственных машин. Инновации в АПК: проблемы и перспективы, 2019, № 3 (23), с. 82-93.
9. WodoLazskaja N. W., WodoLazskaja E. G., Iskrizkiy V. M. Dynamika procesu modutowego montazu poiqczen srubowych. TechnoLogia i automatyzacja montazu, 2002, № 1 (35), p. 30-32.
10. Sibirev A. V., Aksenov A. G., Dorokhov A. S. Results of laboratory investigations of soil screening ability of a chain digger with asymmetric vibrator arrangement. INMATEH - Agricultural Engineering, 2019, VoL. 57, № 1, p. 9-18.
11. Ужик В. Ф., Кузьмина О. С., Китаева О. В., Кабашко Я. В. Результаты экспериментальных исследований датчика потока молока почетвертного доильного аппарата. Техника и оборудование для села, 2022, № 2 (296), с. 22-27.
12. Ужик В. Ф., Кузьмина О. С., Китаева О. В. Техническое и методическое обеспечение исследования датчика потока молока почетвертного доильного аппарата. Инновации в АПК: проблемы и перспективы, 2021, № 3 (31), с. 75-90.
13. Фиалкова Е. А., Кузьмин А. В., Куленко В. Г. [и др.]. Совершенствование конструкции вихревой гомогенизирующей головки путем компьютерного моделирования гидродинамических процессов в SolidWorks Flow Simulation. Молочнохозяйственный вестник, 2020, № 1(37), с. 128-138.
14. Chervetsov V. V., Kulenko V. G., Rattur E. V. Study of the impact of the preparation of cream for churning usingvacuum atomization on the structure of butter. Foods and Raw Materials, 2015, VoL. 3, № 2, p. 23-28.
15. Kulenko V. G., Fialkova E. A., Baronov V. I. Hydro- and thermodynamics of the subcavitation breakup of emulsions in the valve gap of a homogenizer. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2009, Vol. 43, № 4, p. 430-436.
16. Chebotarev E., Sugarov K., Bratsikhin A. Milk and its properties as an object of separation. Journal of Hygienic Engineering and Design, 2018, Vol. 25, p. 101-106.
17. Borisenko A. A., Bratsikhin A. A., Saricheva L. A. [et al.] Meat and plant products designing based on the multilevel modeling method. Journal of Hygienic Engineering and Design, 2018, Vol. 24, p. 75-79.
18. Bogh K. L., Larsen J. M. Reducing AUergenicity by Proteolysis. Food Engineering Series, 2021, p. 499-523.
19. Silva M., Chandrapala J. Ultrasonic Emulsification of Milk Proteins Stabilized Primary and Double Emulsions: A Review. Food Reviews International, 2021.
20. Nurtayeva Z. Analysis of qualitative and quantitative indicators of milk production and processing at the enterprises of the Akmola region. Potravinarstvo, 202, Vol. 16, p. 69-79.
UDC 621.43.038
DOI 10.36461/N P.2022.63.3.015
DESIGN AND STRESS-STRAIN ANALYSIS OF A PRIMARY MILK PROCESSING DEVICE
А.V. Yashin, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; V.A. Ovtov, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Y.V. Polyvyanyj, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; А.А. Gusev, post-graduate
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University",
Penza, Russia, e-mail: yashin.a.v@pgau.ru
One of the most important measures to protect milk from spoilage is its timely refrigeration and storage in this condition before shipment or processing in dairy factories. Thanks to refrigeration, microbial growth in milk
is halted and the bactericidal period is increased, which helps to preserve the product for Longer. The processes of primary milk processing, such as milk filtering and cooling, are of great importance, because proper milk cleaning from mechanical impurities, its timely and deep cooling improves the quality of milk, makes it the milk of the first purity group, which significantly increases its value. Consequently, the use of the developed design of the device for primary treatment of milk improves the efficiency of the process of primary milk processing at commercial dairy factories. The performed stress-strain analysis of the primary treatment device details shows that the strength and rigidity of the designed filter-cooler details is ensured.
Keywords: milk, filter, primary treatment devices, stress-strain analysis, design, pressure.
References.
1. Burykina I.M. Scientific aspects of raw milk quality formation (by the example of the Vologda Oblast): monograph. Vologda: IC VSDFA, 2009. 112 p.
2. Interstate standard "raw cow's milk. Technical conditions". [Electronic resource]. https://files.stroyinf.ru/Data2A/4293780/4293780016.pdf / (date of application 14.11.2022).
3. The USSR inventor's certificate № 1812937, MPK A01J11/06. The vacuum milk filter-cooler: №4948989/15. Kirenkov L.I. Published 30.04.1993.
4. Ovtov V.A., Yashin A.V. Research of shaft fracture with application of computer simulation. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya, 2021, № 4, p. 25-27.
5. Ovtov V. A., Yashin A. V., Khaleev D. Yu. Stress-deformed analysis of details and units of the seeding section of a grain seeder. Agrarian Scientific Journal, 2021, № 5, p. 96-98.
6. Ovtov V.A., Yashin A.V., Gudin V.M. [et al]. Stress-strain analysis of a screw orienting shaft. Surskiy Vestnik, 2020, №4 (12), p. 66-69.
7. Safonov V.V., Shishurin S.A., Gorbushin P.A., Guryev A.E. Calculation of wear resistance of nanocomposite electroplating coating. Scientific Thought, 2016, № 5, p. 136-139.
8. Sharaya O.A., Vodolazskaya N.V. Technological aspects of modifying the surface layer of parts of agricultural machinery. Innovations in the agroindustrial complex: problems and prospects, 2019, № 3 (23), p. 82-93.
9. Wodolazskaja N. W., Wodolazskaja E. G., Iskrizkiy V. M. Dynamika procesu modutowego montazu poiqczen srubowych. Technologia i automatyzacja montazu, 2002, № 1 (35), p. 30-32.
10. Sibirev A. V., Aksenov A. G., Dorokhov A. S. Results of laboratory investigations of soil screening ability of a chain digger with asymmetric vibrator arrangement. INMATEH - Agricultural Engineering, 2019, Vol. 57, № 1, p. 9-18.
11. Uzhik V.F., Kuzmina O.S., Kitaeva O. V., Kabashko Ya. V. Results of experimental studies of milk flow sensor of pochevert milking machine. The Machinery and Equipment for Rural Area, 2022, № 2 (296), p. 22-27.
12. Uzhik V.F., Kuzmina O.S., Kitaeva O. V. Technical and methodological support for the study of the sensor of milk flow of the pochettoman milking machine. Innovations in agroindustrial complex: problems and prospects, 2021, № 3 (31), p. 75-90.
13. Fialkova E. A., Kuzmin A. V., Kulenko V. G. [etc.]. Improvement of vortex homogenizing head design by computer simulation of hydrodynamic processes in SolidWorks Flow Simulation. Molochnokhozyaistvennyy Vestnik, 2020, № 1(37), p. 128-138.
14. Chervetsov V. V., Kulenko V. G., Rattur E. V. Study of the impact of the preparation of cream for churning usingvacuum atomization on the structure of butter. Foods and Raw Materials, 2015, Vol. 3, № 2, p. 23-28.
15. Kulenko V. G., Fialkova E. A., Baronov V. I. Hydro- and thermodynamics of the subcavitation breakup of emulsions in the valve gap of a homogenizer. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2009, Vol. 43, № 4, p. 430-436.
16. Chebotarev E., Sugarov K., Bratsikhin A. Milk and its properties as an object of separation. Journal of Hygienic Engineering and Design, 2018, Vol. 25, p. 101-106.
17. Borisenko A. A., Bratsikhin A. A., Saricheva L. A. [et al.] Meat and plant products designing based on the multilevel modeling method. Journal of Hygienic Engineering and Design, 2018, Vol. 24, p. 75-79.
18. Bogh K. L., Larsen J. M. Reducing Allergenicity by Proteolysis. Food Engineering Series, 2021, p. 499-523.
19. Silva M., Chandrapala J. Ultrasonic Emulsification of Milk Proteins Stabilized Primary and Double Emulsions: A Review. Food Reviews International, 2021.
20. Nurtayeva Z. Analysis of qualitative and quantitative indicators of milk production and processing at the enterprises of the Akmola region. Potravinarstvo, 202, Vol. 16, p. 69-79.
