CC BY
1
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 663.255.42 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-3-8
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ШНЕКОВОГО ПРЕССА ДЛЯ ОТЖИМА СУСЛА ИЗ ВИНОГРАДНОЙ МЕЗГИ
И.Р. Микалаускас, В.В. Прейс
Рассмотрены результаты параметрического синтеза шнекового пресса, применяемого для отжима сусла из виноградной мезги в производстве вин. Анализ известных научных работ позволил выделить параметры шнекового пресса: давление прессования, частота вращения шнека, диаметр отверстий перфорированного барабана, оказывающие наибольшее влияние на процесс отжима сусла из виноградной мезги, и обосновать рациональные диапазоны их варьирования. На основе композиционных планов второго порядка получены регрессионные уравнения, позволившие определить пороговые значения указанных выше параметров шнекового пресса и соответствующие им экстремальные значения параметров процесса отжима сусла: степени отжима и массовой доли взвесей. Для параметрического синтеза использован математический метод «поиска экстремума функции многих переменных», позволивший обосновать рациональные конструктивно-кинематические параметры шнекового пресса, обеспечивающие максимально возможную степень отжима сусла при минимальной массовой доли взвесей.
Ключевые слова: шнековый пресс, виноградное сусло, степень отжима, массовая доля взвесей, параметрический синтез.
В производстве вин на стадии получения виноградного сусла широко применяют шнековые прессы типа ВПО с последовательно размещенными шнеками, обеспечивающими отжим сусла из виноградной мезги [1].
Одним из важных этапов проектирования шнекового пресса является его параметрический синтез с целью обоснования рациональных конструктивно-кинематических параметров пресса, обеспечивающих максимально возможную степень отжима сусла при требуемом уровне его качества, характеризуемым минимальной массовой долей взвесей в сусле.
На первом этапе исследований, на основе анализа известных научных работ, были выделены факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс отжима сусла из виноградной мезги, и обоснованы их рациональные диапазоны варьирования [2]:
диаметр отверстий перфорированного барабана 1 < dоTв < 3 мм;
частота вращения шнека 2 < иш < 5 об./мин;
давление прессования 1 < Р < 2,5МПа.
На втором этапе исследований, используя математические модели и методы моделирования процесса механического обезвоживания зелёной массы рапса, приведенные в работе [3], были получены регрессионные уравнения, описывающие взаимо-
3
связи указанных выше параметров шнекового пресса с параметрами процесса отжима сусла из виноградной мезги для двух типов прессов: с перфорированным шнеком и со сплошным шнеком [4, 5]. В результате были определены пороговые значения давления прессования, частоты вращения шнека, диаметра отверстий перфорированного барабана пресса и соответствующие им экстремальные значения параметров процесса отжима сусла из виноградной мезги: максимальной степени отжима Хтах и минимальной массовой доли взвесей в сусле шв . Полученные значения представлены в таблице.
Значения параметров шнекового пресса и процесса отжима сусла
№ Тип пресса Параметры шнекового пресса Параметры процесса отжима сусла
^тв, мм об./мин P, МПа ^max, % юВ . , %
1 С перфорированным шнеком 5 4,1 2,9 63,481 5,517
2 Со сплошным шнеком 4,3 2,2 2,8 59,953 2,832
3 Вне зависимости от исполнения шнека 3,4 9,3 0,4 12,379 « 0
В качестве иллюстраций на рис. 1 представлены графики частных зависимостей степени отжима сусла от двух конструктивно-кинематических параметров для шнекового пресса с перфорированным шнеком (таблица) и со сплошным шнеком (таблица), варьируемых в диапазонах рекомендуемых значений, при фиксированном пороговом значении третьего параметра.
На рис. 2 в качестве иллюстраций представлены графики частных зависимостей массовой доли взвесей в сусле от двух конструктивно-кинематических параметров шнекового пресса вне зависимости от конструктивного исполнения шнека (таблица), варьируемых в диапазонах рекомендуемых значений, при фиксированном пороговом значении третьего параметра.
Результаты второго этапа исследований позволили сделать следующие выводы:
1. Полученные пороговые значения параметров процесса отжима сусла являются координатами седловых точек, т.е. не являются точками глобальных эксремумов выходных параметров - степени отжима сусла и массовой доли взвесей в сусле.
2. Полученные пороговые значения параметров шнекового пресса лежат вне обоснованных выше диапазонов их варьирования, кроме того, при минимальном значении массовой доли взвесей в сусле, степень отжима сусла принимает недопустимо низкое значение (таблица).
3. Степень отжима сусла выше у пресса с перфорированным шнеком, чем у пресса со сплошным шнеком (таблицу), поэтому дальнейшее исследование целесообразно проводить для пресса с перфорированным шнеком.
Основываясь на вышеуказанных результатах и выводах первых двух этапов исследований, проведем параметрический синтез шнекового пресса с перфорированным шнеком для отжима сусла из виноградной мезги, используя математический метод «поиска экстремума функции многих переменных», реализованный в программной среде MathCad с помощью встроенной функции Maximize [6].
В качестве целевой функции используем регрессионное уравнение, связывающее степень отжима сусла с конструктивно-кинематическими параметрами пресса с перфорированным шнеком, полученное в работе [4]:
X = 9,02200+1,73105 • d0TB -0,30004 • d^ -2,15488 • пш + 37,28080 • P- 6,89658 • P2 + ^ )
+0,14359 • d0TB • пш + 0,22222 • dOTB • P + 0,49231- пш • P Примем в качестве начальных следующие значения входных факторов (параметров пресса):
d0тв = 1 мм; пш = 1 об./мин; Р = 1 МПа. Поиск значений параметров пресса, соответствующих максимальному значению степени отжима сусла по целевой функции (1), будем вести в обоснованных выше диапазонах их варьирования:
1 < dmB < 3 мм; 2 <пш < 5 об./мин; 1 < Р < 2,5 МПа.
В результате параметрического синтеза получили следующие значения конструктивно-кинематических параметров шнекового пресса, при которых значение степени отжима сусла максимально:
d^ = 3 мм; пш = 2 об./мин; Р = 2,5 МПа. (2)
По уравнению (1) для найденных значений параметров шнекового пресса (2) максимальная степень отжима сусла составила X= 62,293 %.
ш
сине
Р,МП»
Рис. 1. Зависимости степени отжима сусла X (%) от параметров шнекового пресса: а — X = /(dоTв,пш) при Р = 2,9 МПа (пресс с перфорированным шнеком)
и Р = 2,8 МПа (пресс со сплошным шнеком); б — X = /(dоTв, Р)
при пш = 4,1 об./мин (пресс с перфорированным шнеком)
и пш = 2,2 об./мин (пресс со сплошным шнеком); в — X = /(пш, Р)
при dоTв = 5 мм (пресс с перфорированным шнеком) и dоTв = 4,3 мм
(пресс со сплошным шнеком); — перфорированный шнек; А$ — сплошной шнек
5
б
а
в
■ 1.29 Ï
0.0427
б
,05Ч
Рис. 2. Зависимости массовой доли взвесей в сусле юв (%) от параметров шнекового пресса: а - ©В = f (отв,«ш ) при P = 0,4МПа; б - ®В = f (doTB,P) при пш = 9,3 об./мин; в — ©в = f ( пщ, P ) при d0TB = 3,4 мм
Для определения значения массовой доли взвесей в сусле используем регрессионное уравнение, связывающее массовую долю взвесей в сусле с конструктивно-кинематическими параметрами пресса с перфорированным шнеком, полученное в работе [5]:
юВ = 3,46169 - 2,15793 • d^ + 0,27976 • d^ + 0,11244 • пщ - 0,00798 • иЩ -1,74238 • P+
(3)
+0,29185 • P2 + 0,01026 • daтв • + 0,44222 • dотв • P+0,00205 • пш • P. Подставляя найденные значения параметров шнекового пресса (2) в уравнение (3) получим минимальное значение массовой доли взвесей в сусле ®в = 0,906 %.
Полученное значение массовой доли взвесей в сусле шв = 0,906 % удовлетворяет установленному технологическому показателю массовой доли взвесей в сусле для шнековых прессов, равному 18 % [1], и является более чем достаточным показателем его качества.
Таким образом, в результате проведенных теоретических исследований и параметрического синтеза шнекового пресса с перфорированным шнеком для отжима сусла из виноградной мезги обоснованы его рациональные конструктивно-кинематические параметры:
диаметр отверстий перфорированного барабана dотв = 3 мм; частота вращения шнека яш = 2 об./мин;
а
в
давление прессования Р = 2,5 МПа.
Найденные рациональные конструктивно-кинематические параметры шнеко-вого пресса, реализованные в конструкции пресса на стадии его проектирования, гарантированно обеспечит степень отжима сусла не менее 60 % и массовую долю взвесей в сусле не более 1 %, что соответствует требованиям, предъявляемым к показателям качества отжима сусла из виноградной мезги в шнековых прессах.
Список литературы
1. Зайчик Ц.Р. Технологическое оборудование винодельческих предприятий: учебник: 5-е изд., доп. М.: ИНФРА-М, 2014. 495 с.
2. Микалаускас И.Р., Прейс В.В. Анализ параметров технологического процесса отжима сусла прессованием виноградной мезги в шнековом прессе // Вестник Тульского государственного университета «Автоматизация: проблемы, идеи, решения»: сб. статей национальной научно-технической конференции с международным участием (АПИР-25). Тула: Изд-во ТулГУ. 2020. С. 24-30.
3. Яковлев Д.А. Обоснование конструктивно-кинематических параметров шне-кового рабочего органа для механического обезвоживания зелёной массы рапса: дисс. ... канд. тех. наук. Донской гос. тех. университет. Ростов-на-Дону. 2012. 264 с.
4. Микалаускас И.Р., Прейс В.В. Регрессионный анализ степени отжима виноградного сусла в шнековом прессе на основе композиционного плана второго порядка // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 12. С. 451-457.
5. Микалаускас И.Р., Прейс В.В. Регрессионной анализ влияния параметров шнекового пресса на массовую долю взвесей в виноградном сусле на основе композиционного плана второго порядка // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 4. С. 3-7.
6. Блок Александра Малыгина «CAD/CAM/CAE» [Электронный ресурс] URL: https://cadregion.ru/ mathcad/ optimizaciya - funkcij - odnoj - i - neskolkix - peremennyx -v-ptc-mathcad.html (дата обращения: 10.02.2021).
Микалаускас Илья Робертасович, магистрант, miki.ilya@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, rabota-preys@, yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PARAMETRIC SYNTHESIS OF A SCREW PRESS FOR PRESSING WORT FROM
GRAPE WORT
I.R. Mikalauskas, V.V. Preis
The results of parametric synthesis of a screw press used for pressing must from grape pulp in the production of wines are considered. The analysis of well-known scientific works allowed us to identify the parameters of the screw press: the pressure of the press, the speed of rotation of the screw, the diameter of the holes of the perforated drum, which have the greatest influence on the process of extracting must from grape pulp, and to justify the rational ranges of their variation. Based on the second-order composite plans, regression equations were obtained that made it possible to determine the threshold values of the above-mentioned parameters of the screw press and the corresponding extreme values of the parameters of the must extraction process: the degree of extraction and the mass fraction of suspensions. For parametric synthesis, the mathematical method of "finding the extremum of a func-
7
tion of many variables" was used, which allowed us to justify the rational structural and kinematic parameters of the screw press, providing the maximum possible degree of must extraction with a minimum mass fraction of suspensions.
Key words: screw press, grape must, degree of extraction, mass fraction of suspensions, parametric synthesis.
Mikalauskas Ilya Robertasovich, master, miki.ilya@yandex.ru. Russia, Tula, Tula state University,
Preis Vladimir Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, rabota-preys@yandex.ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 621.9 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-8-12
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ НАХОЖДЕНИЯ РАЗВНОРАЗМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ТОРЦОМ В ВИДЕ УСЕЧЕННОГО КОНУСА В БЛАГОПРИЯТНОМ
ДЛЯ ЗАХВАТА ПОЛОЖЕНИИ
Э.В. Дьякова
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований вероятностей нахождения равноразмерных деталей с торцом в виде усеченного конуса в благоприятном для захвата положении в бункерных загрузочных устройствах с роликами.
Ключевые слова: равноразмерная деталь, бункерное загрузочное устройство, автоматическая загрузка, вероятность, производительность
В настоящее время в отраслях машиностроения существуют огромное разнообразие различных деталей, все технологические процессы с участием которых (например, сборка) осуществляются на высокопроизводительных линиях. Штучные детали в такие линии необходимо подавать в строго ориентированном положении и с требуемой производительностью. Поэтому для обеспечения надежной и бесперебойной автоматической загрузки штучных деталей используют бункерные загрузочные устройства (БЗУ). Существуют различные виды БЗУ. Анализ показал, что самой оптимальной конструкцией для загрузки равноразмерных штучных деталей является БЗУ с роликами
[1 - 4].
На рис. 1 представлена равноразмерная деталь с торцом в виде усеченного конуса, которая может иметь различные геометрические параметры (табл. 1)
Рис. 1. Схема равноразмерной детали с торцом в виде усеченного конуса
8
