CC BY
63
УДК 621.67:628.163
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРИФУГИ ДЛЯ ОТКАЧКИ МЕДА
Овсянников Дмитрий Алексеевич к.т.н., доцент
Хорошунов Николай Геннадиевич аспирант
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье представлены: методика и результаты экспериментальных исследований по обоснованию рационального режима работы электропривода центрифуги для откачки меда из соторамок. Получена эмпирическая модель влияния температуры меда в диапазоне от 20 до 30 оС, и влажности меда в диапазоне от 17 до 21 % на начальную скорость вращения центрифуги. Рациональный режим работы электропривода центрифуги для откачки меда, включает откачку медовых рамок в 3 этапа. Для каждого из этапов обоснована частота вращения барабана центрифуги с учетом температуры и влажности откачиваемого меда. Приведен пример использования модели. Даны рекомендации по применению результатов исследования
Ключевые слова: КАЧЕСТВО ОТКАЧКИ МЕДА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЦИОНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРИФУГИ, МЕДОГОНКА, ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ
UDC 621.67:628.163
METHODS AND RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES FOR SUBSTANTIATION OF ELECTRIC DRIVE RATIONAL OPERATING MODE FOR HONEY OUTPUT CENTRIFUGE
Ovsiannikov Dmitry Alexeevich Cand.Tech.Sci., associate professor
Khoroshunov Nikolay Gennadievich Postgraduate student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
Hereby are represented: method and results of experimental research for substantiation of rational operating mode for honey centrifuge electric drive. Empiric model of influence of honey temperature (from 20 to 30 °C) and honey humidity (from 17 to 21%) on initial rotating speed of centrifuge was worked out. Rational operating mode of honey centrifuge electric drive consists of 3 stages of honey output. Rotating speed of drum with allowance to the honey temperature and humidity for each stage was substantiated. There is an example of model using. Recommendations for application of research results are given
Keywords: QUALITY OF HONEY OUTPUT, PHYSICOCHEMICAL CHARACTERISTICS, EXPERIMENTAL RESEARCHES, RATIONAL OPERATING MODE OF CENTRIFUGE ELECTRIC DRIVE, CENTRIFUGE, ROTATING SPEED
Существующие в настоящее время хордиальные медогонки с электроприводом предусматривают откачку меда в два этапа: сначала полную откачку с одной стороны соторамки, а затем полную откачку со второй стороны [2;3;4;5;6;7]. Именно по этой причине в настоящее время снижается эффективность процесса откачки меда: степень откачки не превышает 85%, а разрушения соторамок составляют до 30 % [2; 10].
Для повышения эффективности процесса откачки следует использовать технологию с тремя этапами: первый этап - откачка первой стороны соторамки - извлекается 15% от общей массы меда в рамке; второй этап -
переворот и откачка меда со второй стороны соторамки - 50% меда; третий этап - переворот и откачка первой стороны соторамки - 35% меда [8; 9;10].
Для разработки эффективного электропривода медогонки необходимо определить влияние физико-химических свойств меда на начальную скорость вращения медогонки. Экспериментальные исследования предназначены для подтверждения теоретических положений и получения упрощенного эмпирического выражения определяющего требуемую скорость откачки меда на первом этапе.
Для достижения цели произведено планирование эксперимента [1;11]. В качестве независимых переменных приняты основные физикохимические свойства меда: Xj - влажность меда, у,% (4 уровня - 17;18; 19;20); х2 - температура меда, t, оС (4 уровня - 20;25; 28;30). В качестве зависимой переменной принята минимальная начальная скорость вращения медогонки (n, об/мин), требуемая для откачки меда на первом этапе. Таким образом, получаем матрицу для описательного эксперимента 42 с двумя зависимыми переменными. Повторность опыта трехкратная.
Экспериментальные исследования осуществлялись с 15 по 25 мая в период медосбора с белой акации. Пчелы приносят в улей нектар влажностью 50% и за 6 суток превращают его в зрелый мед влажностью до 21 %. Зрелый мед с белой акации обладает наименьшей влажностью, которая может составлять 15 %. Контроль влажности меда в ульях осуществляли портативным рефрактометром во второй половине периода медосбора при снижении показаний привеса контрольного улья менее 2,5 кг в сутки. Для реализации 16 опытов с трехкратной повторностью отобрали 144 рамки в 4 этапа по мере уменьшения влажности. Погода в мае месяце позволяет охладить отобранные рамки в полевых условиях с 31 оС до требуемой для опытов температуры.
Откачка меда осуществлялась в 3-х рамочной медогонке М-3 с электроприводом постоянного тока (рисунок 1), который позволял точно установить требуемую частоту вращения барабана центрифуги, которая измерялась инфракрасным частотомером Omega 16.
Рисунок 1 - Изображение экспериментально оборудования
Частоту вращения центрифуги быстро увеличивали до 70 об/мин, а затем ступенчато изменяли на 2-3 об/мин. Факт начала откачки меда фиксировался двумя способами. Первый заключался в снижении показаний амперметра через 10 секунд после достижения установившейся скорости. Второй метод органолептический, визуально определяли вылет капель меда на стенки емкости центрифуги, который сопровождался характерным шумом (рисунок 2).
Рисунок 2 - Изображение вращающегося барабана центрифуги М-3 с
соторамками с фиксацией факта начала откачки меда.
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2. Корреляционный и регрессионный анализ факторов и определение значимости коэффициентов уравнений были проведены при помощи программы БТАТІБТІСА 6.0. Корреляционный анализ произведен методом Пирсона. Аппроксимация была проведена методом полинома[1;11]. На базе регрессионного анализа построена модель, которая в общем виде будет представлена в виде полинома второй степени:
у1 = Ь0 + Ь1х1 + Ь2х2 + Ь4х1х2 + Ъ3х12 + Ь5х22, (1)
где Ь0... Ь5 - коэффициенты модели.
Результаты регрессионного анализа представлены в таблице 1
Таблица 1 - Регрессионный анализ влияния влажности и температуры меда на начальную частоту вращения центрифуги (у1)
общий коэффициент корреляции Я = 0, 98; общий коэффициент детерминации Я2 = 0,96;
критерий Фишера ^ (5,10) = 78,24; уровень значимости р < 0,00000;
стандартная ошибка оценки: 5,93______________________________________________________
Коэффици- Стандарт- Сдвиг и Стандартная Критерий р - ур°-
ент регрес- ная ошибка нестандар- ошибка оцен- Стьюден- вень зна-
сии при переменной оценки коэффициентов регрессии тизирован- ный коэффициент эмпирической формулы ки сдвига и нестандарти- зированного коэффициента эмпирической формулы та < (51) чимости
Сдвиг 3405,944 540,3830 6,30283 0,000089
х1 -8,1680 2,093804 -217,174 55,6711 -3,90102 0,002956
х2 -11,1922 1,204896 -88,330 9,5092 -9,28892 0,000003
х^2 7,6218 0,895199 3,000 0,3524 8,51412 0,000007
х/ 4,7850 2,065801 3,437 1,4841 2,31627 0,043045
х22 3,4479 0,877136 0,547 0,1391 3,93083 0,002816
В результате регрессионного анализа построена математическая модель, описывающая взаимодействие факторов и наблюдаемой величины, которая представлена в виде уравнения регрессии:
у1 = 3406- 8,168х1 - 11,192х2 + 7,621х 1х 2+ 4,785х12+ 3,448х 22. (2)
Уравнение регрессии позволяет оценить степень влияния независимых переменных и их сочетаний на зависимую переменную. Каждый из коэффициентов регрессии в уравнении (2) отражает уровень изменения начальной частоты вращения при изменении одного из физико-химических параметров меда на единицу. Коэффициент детерминации составил 96%, что говорит о хорошем качестве построенной модели. Он показывает, что 96% изменчивости минимальной частоты вращения медогонки требуемой для эффективной откачки меда на первом этапе объясняется влиянием влажности и температуры меда, а доля вариации зависимой переменной уь определяемая выражением 1 - Я и составляющая 4 %, оказывается необъ-яснённой. Согласно результатам регрессионного анализа (таблица 1) наибольшее влияние на минимальную частоту вращения центрифуги требуемую для эффективной откачки на первом этапе оказывает температура меда х2 с высоким уровнем значимостир = 0,000003. Влажность меда х^, с уровнем значимости р = 0,002956, оказывает меньшее влияние, чем х2. Установлено что нельзя пренебречь сочетанием независимых переменных
(%!', х2), влияние которых крайне значимо (р = 0,000007). Полученные результаты свидетельствуют о правильности планирования эксперимента.
С позиции дальнейшего применения наибольшую ценность представляет эмпирическая математическая модель, представленная полиномом второй степени в выражении (3). Даная математическая модель позволяет определить требуемую минимальную частоту вращения центрифуги при различных параметрах меда, подставляемых в абсолютных единицах.
у1 = 3406- 217,2х 1 - 88,3х2 + 3 х 1х 2+ 3,437х12+ 0,547х 22. (3)
Анализ экспериментально полученных наблюдаемых значений переменной у1 и предсказанных регрессионной моделью представлен в таблице 2 и графически изображен на рисунке 3.
Таблица 2 - Данные анализа адекватности полученной
модели переменной У]
N=16 влаж- ность меда, ¥,%; х] тем- пера- тура меда, и оС; Х2 Х} Х2 Х\ Х22 Наблю даемые значе- ния У] Пред- ска- занные значе- ния у] Разни- ца Ст. ошиб- ка пред. значе- ний
1 17 20 340 289 400 189,0 179,6 9,4 4,9
2 17 25 425 289 625 110,0 116,0 -6,0 3,6
3 17 28 476 289 784 86,0 91,0 -5,0 3,3
4 17 30 510 289 900 82,0 79,7 2,3 4,3
5 18 20 360 324 400 137,0 142,8 -5,8 3,5
6 18 25 450 324 625 92,0 94,2 -2,2 3,0
7 18 28 504 324 784 80,0 78,1 1,9 2,5
8 18 30 540 324 900 77,0 72,9 4,1 3,3
9 19 20 380 361 400 108,0 112,8 -4,8 3,5
10 19 25 475 361 625 81,0 79,2 1,8 3,0
11 19 28 532 361 784 76,0 72,1 3,9 2,5
12 19 30 570 361 900 74,0 72,9 1,1 3,3
13 20 20 400 400 400 91,0 89,7 1,3 4,9
14 20 25 500 400 625 77,0 71,1 5,9 3,6
15 20 28 560 400 784 73,0 73,0 0,0 3,3
16 20 30 600 400 900 72,0 79,8 -7,8 4,3
Minimum 17 20 340 289 400 72,0 71,1 -7,8 2,5
Maximum 20 30 600 400 900 189,0 179,6 9,4 4,9
Mean 18,5 25,75 476,3 343 677 94,1 94,1 0,0 3,6
Median 18,5 25,75 476,3 343 677 81,5 79,8 1,2 3,4
О 200
О 1B0
О 160
О 140
120
1 | 100
О B0
Рисунок 3 - Диаграмма влияния влажности и температуры меда на значение параметра минимальной частоты вращения центрифуги
Диаграмма влияния влажности и температуры меда на проекцию поля параметра минимальной частоты вращения центрифуги представлена на рисунке 4.
32
30
28
26 :
24 *
22
20
18
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
Х1
19,0
19,5
20,0
І I 220
І I 200
І I 180
0 160
1 I 140
І I 120
20,5 □ 100
І I 80
Рисунок 4 - Диаграмма влияния влажности и температуры меда на проекцию поля параметра минимальной частоты вращения центрифуги
Полученная математическая модель (3) влияния влажности меда и температуры меда на значение параметра минимальной частоты вращения центрифуги обеспечивает достаточно точное прогнозирование результатов воздействия основных физико-химических свойств меда на зависимую переменную при любых значениях х и х2.
Модель обосновывает требуемую для эффективной откачки меда на первом этапе минимальную частоту вращения центрифуги. Логично предположить, что минимальная частота вращения барабана, требуемая для эффективной откачки на каждом из этапов будет разной. Изменение на-
чальной частоты вращения будет зависеть от массы оставшегося меда в рамках. Таким образом, диапазон регулирования частоты вращения для каждого из этапов можно представить следующим образом:
1 этап - от Птт1 = У1 до Птах1 = 08- = Птт2 , (4);
2 этап - от Пт,„2 = д° Птах2 = = Пт1п3 , (5);
0,85 0,35
3 этап - от Птт3 = 035 до Птахз , (6Х
В основе определения верхнего предела частоты вращения птах3 лежит многолетний опыт пчеловодов, который доказывает, что данный показатель не должен превышать 280 об/мин [3;10]. Это связано с пределом прочности вощин в соторамках. Если число оборотов выше указанного предела, то происходит физическое разрушение конструкции соторамки: вощина отслаивается от удерживающих ее элементов. Данный факт приводит к порче соторамок и приводит к необоснованным материальным и экономическим затратам.
Таким образом, получаем, что крайние показатели общего диапазона вращения будут определяться минимальной скоростью, при которой начинается откачка меда и максимальной при которой увеличиваются риски порчи соторамок и влекущая за собой экономические и инвентарные издержки. При использовании формул 4,5,6 получили соотношение начальных скоростей вращения по этапам откачки - 1:1,18:2,85. Например, для меда влажностью 18,5 % и температурой 30оС с использованием полученных выражений установлены следующие диапазоны частот вращения по этапам: 1 этап - от 71 до 83 об/мин; 2 этап - от 83 до 202 об/мин; 3 этап -от 202 до 280 об/мин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получена эмпирическая модель влияния температуры меда в диапазоне от 20 до 30 оС, и влажности меда в диапазоне от 17 до 21 % на начальную скорость вращения центрифуги. Обоснован рациональный режим работы электропривода центрифуги для откачки меда, включающий откачку медовых рамок в 3 этапа. Для каждого из этапов обоснована частота вращения барабана центрифуги с учетом температуры и влажности откачиваемого меда. Результаты исследований могут быть использованы для построения нагрузочной диаграммы и правильного выбора электродвигателя, а также для программирования микроконтроллера реализующего рациональный режим регулируемого электропривода центрифуги для откачки меда.
Библиографический список
1. Блохин В. Г. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов / Блохин В. Г., Глудкин О. П., Гуров А. И., Ханин М. А.; под ред. Глудкина О. П. - М.: Радио и связь, 1997. — 232 с.: ил.
2. Овсянников Д.А. Экологически чистые и энергоэффективные методы повышения производительности труда в пчеловодстве / Д.А. Овсянников, Н.Г. Хорошунов // Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона. 4-я Российской научн.-практич. Конф. Сб. научн. Трудов.: Ставрополь, 2010 г.
3. Овсянников Д. А. Экологически чистые методы повышения производительности труда в пчеловодстве / Д.А. Овсянников, Н.Г. Хорошунов // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность № 1-2 (4-5) 2010, С. 134-136.
4. Овсянников Д.А. Экспериментальные исследования влияния температуры и влажности меда на начальную скорость вращения центрифуги / Д.А. Овсянников, Н.Г. Хорошунов // Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона. 4-я Российской научн.-практич. Конф. Сб. научн. Трудов.: Ставрополь, 2010 г.
5. Оськин С.В. Анализ поведения меда в сотах в процессе откачки/ С.В.Оськин, Н.Г. Хорошунов // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК. 3я Российская научн.-практич. Конф. Сб. научн. Трудов.: Ставрополь, 2005 г.
6. Оськин С.В. Динамика меда в сотах соторамок/ С.В.Оськин, Н.Г. Хорошунов // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК. 3-я Российская научн.-практич. Конф. Сб. научн. Трудов.: Ставрополь, 2005 г.
7. Оськин С.В. Многоскоростной электропривод центрифуг в пчеловодстве./ С.В. Оськин, Н.Г. Хорошунов// Электромеханические преобразователи энергии «ЭМ-ПЭ- 4». Материалы 3-й межвузовской научно-мет. конф.: Краснодар, 2004, КВАИ.
8. Оськин С.В. Определение функциональной зависимости скорости начала откачки меда от радиуса вращения сота с медом относительно оси вращения барабана/ С.В.Оськин, Н.Г. Хорошунов// Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК. 3-я Российская научн.-практич. Конф. Сб. научн. Трудов.: Ставрополь, 2005 г.
9. Туников Г. М. Технология производства и переработки продукции пчеловодства: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Туников Г. М., Кривцов Н. И., Лебедев В. И. и др. - М.: Колосс, 2001. - 176 с.
10. Хорошунов Н.Г. Обоснование частоты вращения центрифуги для откачки меда// Механизация и электрификация сельского хозяйства.№9, 2007, С.40-41.
11. Электронный учебник StatSoft, [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.statsoft.ru/home/textbook.
