CC BY
33УДК 638.171.2 : 53.096
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ ПЧЕЛИНОГО ВОСКА
ЛУЗГИН Николай Евгеньевич, доцент кафедры «Технические системы в АПК», п1ко1ау.^д'т@ mail.ru
УТОЛИН Владимир Валентинович, доцент кафедры «Технические системы в АПК», 9106451985@ mail.ru
НАГАЕВ Николай Борисович, ассистент кафедры «Электроснабжение», [email protected]
ЛУЗГИНА Елена Сергеевна, аспирант кафедры «Технические системы в АПК»
ГРУНИН Николай Александрович, преп. факультета довузовской подготовки и среднего специального образования, [email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Наиболее значимыми свойствами пчелиного воска являются реологические, адгезионные и пластические. При разработке новой конструкции агрегата для вытопки воска, а также установки для нанесения защитного покрытия на тестообразные подкормки для пчел возникла необходимость более тщательного изучения этих свойств. Данные свойства сильно зависят от температуры нагрева исследуемого материала. Для теоретического обоснования процесса вытопки воска и нанесения защитной оболочки на гранулы подкормки были проведены опыты по определению зависимости вязкости воска, усилий сжатия и выпрессовки воска от температуры его нагрева. От изменения реологических, адгезионных и пластических свойств воска в зависимости от температуры во многом зависят технологические режимы работы машин, выбор материалов для их изготовления, требования к условиям внешней окружающей среды. Для экспериментов был использован воск из различных районов Рязанской области. Выявлено, что при увеличении температуры пчелиного воска от 65 до 850С значение его динамической вязкости снижается с 25,61 до 16,37 мПас Минимальное значение динамической вязкости пчелиного воска достигается при температуре 850С и составляет 16,37 мПас Давление сжатия при диапазоне температур от 20 до 650С для фракции меньше 2 мм находится в пределах от 3773 до 8959 Па, для фракции 2,0-4,0 мм - от 5207 до 10467 Па, а для фракции 4,0-7,0 мм изменяется от 6486 до 12977 Па. Давление выпрессовки при диапазоне температур от 20 до 650С для фракции меньше 2 мм находится в пределах от 15506 до 18761Па, для фракции 2,0-4,0 мм - от 15264 до 18315 Па, а для фракции 4,0-7,0 мм изменяется от 14818 до 17280 Па. Учитывая результаты проведенных нами исследований, становится возможным обоснование конструкций, материалов и режимов работы устройств для вытопки воска и установки для нанесения защитного покрытия на тестообразные подкормки для пчел.
Ключевые слова: воск, температура, реологические свойства, адгезионные свойства, пластические свойства.
Введение
При создании средств механизации производственных процессов, связанных с переработкой продуктов пчеловодства, необходимо глубокое изучение их физико-механических, реологических, теплофизических, адгезионных и других свойств. Однако не все свойства в полной мере изучены. В частности, при разработке новой конструкции агрегата для вытопки воска [1], а также установки для нанесения защитного покрытия на тестообразные подкормки для пчел [2,3,4] возникла необходимость более тщательного изучения свойств пчелиного воска. При конструировании подобных машин важно учитывать зависимость показателей вязкости, усилия сжатия и выпрессовки пчелиного воска от температуры, так как изменение показателей влияет на конструктивно-технологические параметры, качественные и количественные показатели готовой продукции. В частности, при проведении расчетов по обоснованию высоты слоя воска в агрегате для капсулирования подкормок требуются конкретные значения динамической вязкости воска в зависимости от его температуры [5]. Для обоснования параметров пресса в агрегате для вытопки воска с целью получения макси-
мального выхода продукта и соблюдения условий возможности последующей очистки его от мервы и целостности стенок самого агрегата требуется знать конкретные значения необходимого усилия сжатия и выпрессовки воскового сырья в зависимости от температуры. Однако имеющаяся справочная информация не дает нам четких значений этих показателей в широком диапазоне.
Исследование динамической вязкости пчелиного воска
Вязкость - свойство жидкостей противостоять силе, которая вызывает их текучесть. Вязкость подразделяют на два типа - динамическую и кинематическую. В отличие от кинематической вязкости динамическая, или абсолютная вязкость не зависит от плотности жидкости, так как она определяет внутреннее трение в жидкости. Вязкость -это свойство жидкостей и газов, хотя иногда твердые тела также описывают с помощью вязкости. Особенно это свойство присуще телам, если они подвергаются малому, но постоянному напряжению, и их форма постепенно искажается. Высокая вязкость вещества характеризуется высоким сопротивлением напряжению сдвига.
Когда говорят о вязкости вещества, то обяза-
© Лузгин Н.Е., Утолин В.В., Нагаев Н. Б., Лузгина Е. С., Грузин Н.А., 2017г.
тельно указывают температуру, при которой тело имеет данный показатель. Например, гораздо легче размешать теплый мед, чем холодный, так как он менее вязок. То же происходит и со многими маслами. К примеру, оливковое масло при комнатной температуре имеет низкую вязкость, но при охлаждении его вязкость заметно увеличивается. С вязкостью воска связана и эффективность его отделения от воскового сырья. Так, при повышении температуры от 70 до 100°С такое отделение ускоряется в 3-4 раза. Поэтому переработку воскового сырья в воскотопках необходимо проводить при температуре теплоносителя, близкой к 100°С.
В твердом агрегатном состоянии при температуре до 15-20°С воск - хрупкое, упруго-пластичное тело. При дальнейшем повышении температуры нагревания его упругость снижается, а пластичность увеличивается, особенно при температуре выше 35-38°С. При температуре на 7±2°С ниже точки застывания начинается размягчение воска. Примерно в точке его застывания размягчение переходит в плавление. При размягчении и плавлении проявляются структурно вязкие свойства воска. При температуре на 1,5±1°С выше максимальной температуры плавления воск ведет себя как истинно вязкая (ньютоновская) жидкость. Динамическая вязкость здесь является константой воска, зависящей только от температуры. В расплавленном состоянии воск, как и многие жидкости, состоит из неупорядоченных в пространстве молекул. В интервале застывания начинает формироваться определенная пространственная его структура. При этом в твердое состояние переходят сначала высокоплавкие компоненты воска, а затем низкоплавкие. Кроме того, его высокомолекулярные компоненты в твердом состоянии не являются типично кристаллическими в отличие от низкомолекулярных. Поэтому вскоре после застывания из расплавленного состояния воск характеризуется своеобразной структурой, промежуточной между кристаллической и аморфной. Вязкость размягченного, а тем более твердого воска сильно возрастает, отчего кристаллизация компонентов и упорядочение его структуры замедляются. Тем не менее, указанные процессы совершаются, причем скорость их зависит от температуры воска и содержания загрязняющих примесей [6].
Для экспериментов был использован воск из различных районов Рязанской области [7].
Испытания проводились на ротационном вискозиметре «Вискотестер VT 550» (фирма НААКЕ, Германия) (рис. 1). Он предназначен для исследования реологических характеристик полимеров и сложных пищевых (биологических) сред (гели, эмульсии, суспензии и дисперсии).
Принцип действия вискозиметра заключается в следующем. Измеряемое вещество (воск) находится в зазоре измерительной системы. Ротор вращается с постоянной заранее определенной скоростью, и измеряемая жидкость вследствие присущей ей вязкости оказывает сопротивление вращению. Измеряется крутящий момент сопро-
тивления вращению ротора. Встроенный микропроцессор на основе регистрируемых значений скорости вращения, крутящего момента и известной геометрии измерительной системы (системный фактор) рассчитывает вязкость в мПас, скорость сдвига (в с-1) и касательное напряжение (в Па). При подключенном термометре сопротивления измеряется также температура в °С. Результаты выводятся на табло VT55o и через последовательный интерфейс RS232 на ПЭВМ.
Исходя из характеристик прибора и методики исследований, длительность каждого измерения составляла 1800 с, скорость сдвига - 1000 с-1, количество измерительных точек - 100, температуру среды изменяли от 65°С до 85°С с шагом в 5°С.
Нижний предел 650С обусловлен условием нахождения воска в расплавленном состоянии. Нагрев воска свыше 850С производить нецелесообразно, так как из него начинают сильно испаряться легкие соединения, при этом он меняет цвет на более темный [2].
1 - основание штатива; 2 - крепежная гайка измерительных систем; 3 - термостатирующая рубашка;
4 - резьбовая муфта соединения ротора измерительной системы с измерительным валом привода;
5 - фланцевое устройство для крепления термо-статирующей рубашки;6 - привод; 7 -панель ручного управления прибором с клавиатурой; 8 - устройство
подъема и опускания привода с измерительной системой^ - винт фиксации фланцевого устройства; 10 -вертикальная штанга Рис. 1- Вискозиметр «Вискотестер VT 550»
Результаты исследования
В результате лабораторных испытаний была получена графическая зависимость динамической вязкости пчелиного воска от температуры его нагрева (рис. 2). Анализируя графическую зависимость, можно сделать вывод, что она является практически линейной при повышении температуры от 65 до 85 оС, вязкость воска уменьшается с 25,61 до 16,37 мПа с.
и, МП
Tu fc
Рис. 2 - Графическая зависимость динамической вязкости пчелиного воска ^
от температуры t его нагрева
Для более удобного практического применения полученных результатов приведем значения вязкости пчелиного воска в диапазоне температур 6585 оС в табличном виде.
Таблица - Значения вязкости пчелиного воска в диапазоне температур 65-85 оС
Темпе- Динамическая
ратура воска, оС вязкость воска, мПа с
65 24,61
70 22,15
75 20,01
80 18,13
85 16,37
намометрической пружины. С помощью рукоятки ползун с пуансоном перемещали вниз, сжимая воск, пока ограничитель пуансона не упирался в форму. В результате воск формировался в брикет, в независимости от температуры и фракции. В момент сжатия фиксировали показания индикатора. Предварительно прибор был оттарирован. После этого усилие, получившееся в ходе исследования, переводилось в давление. Для этого показания индикатора делились на площадь отверстия формы (8=0,0314 м2).
4
свойств воска
Ранее в Рязанском ГАТУ кандидатом технических наук Роговым А.А. были проведены эксперименты по исследованию адгезионных свойств воска в зависимости от его температуры [8]. Однако выбранный автором диапазон температур достаточно мал (до 32 0С). Для получения более обширной информации нами был проведен эксперимент по изучению адгезионных и пластических свойств воска в более широком диапазоне температур - от 20 до 65 0С.
Лабораторная установка для определения адгезионных и пластических свойств (рис. 3) содержит основание со стойкой 2, на котором закреплен индикатор часового типа 12. Над ним установлена динамометрическая пружина 10, с которой индикатор взаимодействует своим измерительным штоком 11. По стойке основания перемещается ползун 3. Для перемещения ползуна используется рукоятка 4, а для возврата в исходное положение установлена возвратная пружина 1. На площадку динамометрической пружины устанавливается форма 8 с прессуемым материалом 9, а в ползун вворачивается пуансон 7.
В общем случае эксперимент проводился следующим образом. Перед началом работы на весах ВЛТК-500 взвешивали порции материала различного гранулометрического состава (фракции менее 2мм; 2-4мм; 4-7мм) массой 10 граммов. Затем навески засыпали в матричную форму круглого сечения диаметром 10мм (рис. 4) и нагревали до требуемой температуры (от 20 до 650С с шагом в 50С) в термошкафу. Подготовленный материал в матричной форме помещали на площадку ди-
1 - возвратная пружина; 2 - стойка; 3 - ползун; 4 -рукоятка; 5 - цифровой мультиметр DT-9205A; 6 - микротерморезистор МТ-54М; 7 - пуансон; 8 -форма; 9 - воск; 10 - динамометр ДОСМ - 0,2;
11 - шток; 12 - индикатор
Рис. 3 - Схема лабораторной установки для изучения адгезионных и пластических свойств воска
Для определения адгезионных свойств воска (усилия выпрессовки брикета из матричной формы) пуансон переворачивали обратной стороной, длина которой равна высоте матричной формы. При помощи рукоятки оказывалось давление на пуансон, вследствие чего брикет воска выпрессо-вывался из формы. В этот момент фиксировались показания индикатора. Все эксперименты проводились в пятикратной повторности. Во время проведения исследования температура в лаборатории поддерживалась 21-23 0С.
После этого на основании результатов опытов построены графические зависимости средних значений усилий сжатия и выпрессовки.
На рисунке 5 представлены графические зависимости усилия сжатия воска различного гранулометрического состава в зависимости от температуры.
Рис. 4 - Форма с воском перед проведением опыта
Анализируя графические зависимости (рис. 5), можно сделать вывод, что давление, требуемое для сжатия воска, имеет квадратичную зависимость от температуры воска и зависит от гранулометрического состава. Давление сжатия при диапазоне температур от 20 до 65°С для фракции меньше 2 мм находится в пределах от 3773 до 8959 Па, для фракции 2,0-4,0 мм - от 5207 до 10467 Па, а для фракции 4,0-7,0 мм - от 6486 до 12977 Па. Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что пластические свойства воска усиливаются с повышением температуры и сильнее проявляются у фракции с размером частиц менее 2мм.
Рис. 5 - Графические зависимости усилия прессования воска различного гранулометрического
состава от температуры
Анализируя графические зависимости (рис. 5), можно сделать вывод, что давление, требуемое для сжатия воска, имеет квадратичную зависимость от температуры воска и зависит от гранулометрического состава. Давление сжатия при диапазоне температур от 20 до 650С для фракции меньше 2 мм находится в пределах от 3773 до 8959 Па, для фракции 2,0-4,0 мм - от 5207 до 10467 Па, а для фракции 4,0-7,0 мм - от 6486 до 12977 Па. Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что пластические свойства воска усиливаются с повышением температуры и сильнее проявляются у фракции с размером частиц менее 2мм.
Рис. 6 - Графические зависимости усилия выпрессовки воска различного гранулометрического состава от температуры
После проведения анализа графических зависимостей (рис. 6), было выявлено, что давление, необходимое для выпрессовки воска, имеет квадратичную зависимость от температуры воска, и обратно пропорционально размеру частиц воска. Давление выпрессовки при диапазоне температур от 20 до 650С меняется для фракций: меньше 2 мм - от 15506до 18761 Па; 2,0-4,0 мм - от 15264 до 18315 Па; 4,0-7,0 мм - от 14818 до 17280 Па. Из графических зависимостей видно, что адгезионные свойства воска с повышением температуры усиливаются, при этом гранулометрический состав не оказывает решающего влияния на прилипание воска к стенкам матричной формы.
Учитывая результаты проведенных нами исследований, а также ранее известных данных [2,8], становится возможным обоснование конструкций, материалов и режимов работы устройств для вытопки воска и установки для нанесения защитного покрытия на тестообразные подкормки для пчел.
Заключение
При увеличении температуры пчелиного воска от 65 до 85оС значение его динамической вязкости снижается с 25,61 до 16,37 мПа^с. Минимальное значение динамической вязкости пчелиного воска достигается при температуре 85оС и составляет 16,37 мПа^с.
Давление, требуемое для сжатия воска, имеет квадратичную зависимость от температуры воска и прямо пропорционально гранулометрическому составу, тем самым пластические свойства воска усиливаются с повышением температуры и сильнее проявляются у частиц меньшего размера. Давление, необходимое для выпрессовки воска, имеет квадратичную зависимость от температуры воска и обратно пропорционально размеру его частиц. Это говорит о том, что адгезионные свойства воска с повышением температуры усиливаются независимо от гранулометрического состава, ко-
торый не оказывает решающего влияния на прилипание воска.
Список литературы
1.Исследование процесса вытопки воска / В. Ф Некрашевич, Т. В. Торженова, Н .Е. Лузгин [и др.] // Пчеловодство. - 2014. - № 3. - С. 50-51.
2. Лузгин, Н. Е. Технология и агрегат для кап-сулирования подкормок пчелам : автореф. дис. ... канд. техн. наук. / Н. Е. Лузгин, РГСХА. - Рязань, 2004. - 20с.
3. Пат. 2174748 Российская Федерация, МПК А01К53/00, А23К1/18. Способ нанесения защитного покрытия на подкормку для пчел и устройство для его осуществления [Текст] / Некрашевич В.Ф., Бронников В.И., Лузгин Н.Е., Корнилов С.В. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия им. П. А. Костычева. - № 2000101917/13 ; заявл. 24.01.2000 ; опубл. 20.10.2001, Бюл. № -нет в патенте
4. Пат. 2265327 Российская Федерация, МПКА01К53/00, А23К1/18. Линия приготовления подкормки для пчел [Текст] / Некрашевич В. Ф., Лузгин Н. Е., Панфилов И. А. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия им. П. А. Костычева. - № 2003134212/12 ; заявл.25.11.03 ; опубл. 20.05.05, Бюл. № 34. - 7 с. : ил.
5. Теоретическое обоснование времени нарастания защитного слоя из воска на гранулы подкормки для пчел / В. Ф. Некрашевич, Н. Е. Лузгин, Е. И. Троицкий [и др.] // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2015.- № 3 (27). - С. 118-123.
6. Чудаков В. Г. Технология продуктов пчеловодства. - М.: Колос, 1979. - 160с.
7. ГОСТ 21179-2000 - Воск пчелиный. Технические условия [Текст]/ М., Стандартинформ. 2011г.
8. Рогов, А. А. Технология и агрегат для вытопки воска: дис. ... канд. техн. наук / А.А. Рогов.- Рязань, 2009. - 161с.
THE RESULTS OF THE STUDY OF THE PROPERTIES OF BEESWAX
Luzgin Nicholas E., associate Professor of "Technical systems in agribusiness", [email protected] Utolin Vladimir V., Professor of the Department "Technical systems in agribusiness", [email protected] Nagaev, Nikolay B., assistant Professor, Department "power Supply", [email protected] Luzgina Elena S., postgraduate student of the Department "Technical systems in agribusiness" Grunin Nikolay A., the teacher of FDP and SPO, [email protected] Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev
The most important properties of beeswax are rheological, adhesive and plastic. When developing a new design of aggregate for vytopna wax, and installation for applying a protective coating on a dough feeding to bees arose the need for a more careful study of these properties. These properties strongly depend on the heating temperature of the material. For theoretical justification of the process vytopna wax and applying a protective sheath to the pellets feeding experiments were conducted to determine the dependence of the viscosity of the wax, the forces of compression and extrusion of the wax from the temperature of its heating. From changes in rheological, adhesive and plastic properties of the wax depending on the temperature depend largely on the technological modes of operation of the machines, the materials used for their production requirements, conditions of the external environment. For experiments was used the wax from a variety of districts of Ryazan region. It is revealed that with increasing temperature of beeswax from 65 to 85 OC the value of its dynamic viscosity is reduced from 25.61 to 16.37 MPas the Minimum value of dynamic viscosity of beeswax is achieved at a temperature of 85 OC and is 16, 37 MPa'C. the compression Pressure in the temperature range 20 to 650C for fractions smaller than 2 mm is in the range from 3773 to 8959 PA, for a fraction of 2.0-4.0 mm varies from 5207 to 10467 PA, and for a fraction of 4.0-7.0 mm changed from 6486 to 12977 with PA. Pressure extrusion in the temperature range from 20 to 650C for fractions smaller than 2 mm is in the range from 15506 to 18761na, for a fraction of 2.0-4.0 mm varies from 15264 to 18315 PA, and for a fraction of 4.0-7.0 mm changed from 14818 to 17280 PA. Given the results of our research, it becomes
possible validation of design, materials and operation modes of devices for vytopna wax and installation for applying a protective coating on a dough feeding to bees.
Key words: wax, temperature, rheological properties, adhesion properties, plastic properties.
1. Nekrashevich V.F., Torzhenova T.V., Luzgin N.E., Nagaev N.B., Grunin N.A. Issledovanie processa vytopki voska // Pchelovodstvo. 2014. № 3. S. 50-51.
2. Luzgin N.E. Tehnologija i agrégat dlja kapsulirovanija podkormok pchelam: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Rjazan', 2004.
3. Patent na izobretenie RUS 2174748 S1. Sposob nanesenija zashhitnogo pokrytija na podkormku dlja pchel i ustrojstvo dlja ego osushhestvlenija / Nekrashevich V.F., Bronnikov V.I., Luzgin N.E., Kornilov S.V // 20.10.2001.
4. Patent na izobretenie RUS 2265327 S2. Linija prigotovlenija podkormki dlja pchel/Nekrashevich V.F., Luzgin N.E., Panfilov I.A. //Bjul. №34, 10.12.2005.
5. Nekrashevich V.F., Luzgin N.E., Troickij E.I., Grunin N.A., Nagaev N.B.
Teoreticheskoe obosnovanie vremeni narastanija zashhitnogo sloja iz voska na granuly podkormki dlja pchel // Vestnik Rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. 2015. № 3 (27). S. 118-123.
6. Chudakov V.G. Tehnologija produktov pchelovodstva. M.: Kolos, 1979.
7. GOST 21179-2000 - Vosk pchelinyj. Tehnicheskie uslovija [Tekst]/M., Standartinform. 2011g.
8. Rogov A.A. Tehnologija i agregat dlja vytopki voska: dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Rjazan', 2009.
УДК 001.57:(631.3-18:637.125)
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА НА НАПОЛЗАНИЕ ПРИ МАШИННОМ ДОЕНИИ
ХРИПИН Владимир Александрович, канд. техн. наук, соискатель кафедры «Технические системы в АПК», E-mail: [email protected]
УЛЬЯНОВ Вячеслав Михайлович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технические системы в АПК», E-mail: [email protected]
НАБАТЧИКОВ Алексей Викторович, аспирант кафедры «Технические системы в АПК», E-mail: [email protected]
ХРИПИН Александр Александрович, аспирант кафедры «Технические системы в АПК», E-mail: [email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Двухтактные доильные аппараты отсасывающего типа, в которых молоковыведение происходит при такте сосания за счет создания вакуума в подсосковой камере стакана, получили наибольшее распространение как за рубежом, так и в нашей стране. Однако под воздействием вакуума подвесная часть доильного аппарата наползает на соски вымени коровы, отчего доение прерывается преждевременно. Нами предложен доильный аппарат, который при доении автоматически перераспределяет оттягивающее усилие на сосках в зависимости от такта работы аппарата за счет изменения центра масс подвесной части. При работе предложенного аппарата обеспечивается полное выдаивание молока, щадящее обращение с выменем, и исключается как наползание, так и спадание с вымени подвесной части доильного аппарата. Целью исследований является получение с помощью методов планирования эксперимента математической модели зависимости наползания стаканов на соски от величин вакуума и массы подвесной части. Полученные математические модели показывают, что наибольшее влияние на наползание доильных стаканов на соски вымени оказывают масса подвижного поршня и величина вакуума; модели позволяют подобрать оптимальные значения массы подвесной части доильного аппарата при заданном значении вакуума, оптимизируя процесс машинного доения и предотвращая чрезмерное наползание стаканов на вымя животного.
Ключевые слова: доильный аппарат, коллектор, машинное доение, многофакторный эксперимент, подвижный поршень, экспериментальные исследования.
Literatura
© Хрипин В.А., Ульянов В. М., Набатчиков А.В., Хрипин А. А., 2017 г.
