CC BY
8
УДК 637.2.024
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ С ГИБКИМ ВИБРОПРИВОДОМ
А. В. Яшин, кандидат технических наук, доцент;
Ю. В. Полывяный, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, Россия, т. +7-902-209-96-91, e-mail: yashin.a.v@pgau.ru
Материалы статьи посвящены актуальной проблеме - совершенствованию технологического процесса сбивания сливочного масла и разработке конструкции маслоизготовителя. В ней отмечено, что при наличии значительного числа личных подсобных и фермерских хозяйств с небольшими объемами изготовления масла возникает необходимость в маслоизго-товителях периодического действия. По результатам анализа существующих конструкций и теоретических исследований установлено, что для уменьшения потерь сливочного масла из-за его налипания на механизм сбивания и снижения энергоёмкости сбивания необходимо, чтобы механизм сбивания был выполнен в виде мембраны, одновременно являющейся дномемкости, которая совершает периодические колебательные движения посредством кривошипно-шатунного механизма. Определен критерий оптимизации - энергоемкость сбивания сливочного масла, а степень использования молочного жира используется ограничением этой целевой функции. Установлена адекватная математическая зависимость в закодированном виде энергоёмкости сбивания сливочного масла на маслоизготовителе с гибким виброприводом. При этом энергоемкость сбивания сливочного масла маслоизготовителем с
гибким виброприводом составила Эс = 3,84 Вт'ч при производительности QM = 11,25 кг/ч
кг
и мощности на привод Nnp = 43,2 Вт, а степень использования молочного жира S = 99,6 %, что соответствует отходу жира в пахту 0,4 % и не превышает требований ГОСТ.
Ключевые слова: гибкий вибропривод, маслоизготовитель, мембрана, механизм сбивания, энергоемкость.
Введение
Изготовление сливочного масла проводится, в основном, по двум технологиям: преобразования высокожирных сливок и сбивания (в маслоизготовителях периодического или непрерывного действия), применение которых обуславливается объемами производства и сортностью масла[1, 2, 12].
Производство сливочного масла, по указанным технологиям, на фермах и предприятиях перерабатывающей молочной промышленности осуществляется с помощью разнообразных по принципу действия и конструкции устройствами. При наличии значительного числа личных подсобных и фермерских хозяйств с небольшими объемами изготовления масла возникает необходимость в маслоизготовителях периодического действия[12-15].
По результатам анализа существующих конструкций [1-12] можно считать, что одним из основных направлений совершенствования механизма сбивания является применение вибрационного рабочего органа, способного интенсифицировать сбивание сливочного масла и снизить его потери в связи с налипанием на механизм сбивания. Ис-
следование работы маслоизготовителей периодического действия показывает, что сбивание масла характеризуется повышенной энергоемкостью, вследствие продолжительности процесса образования масляного зерна. Применение маслоизготовителей с быстровращающимися рабочими органами, ускоряет процесс образования масляного зерна, однако это приводит к повышению затрат энергии и отхода жира в пахту. В связи с этимпредложена принципиально новая конструкция маслоизготовителя периодического действия, где механизмом сбивания является мембрана, являющаяся к тому же и дном ёмкости, с приводом от кривошипно-шатунного механизма.
Задачи исследования:
- обосновать параметры маслоизгото-вителя с гибким виброприводом;
- определить эффективность использования маслоизготовителя с гибким виброприводом.
Методы и материалы
Критерием оптимизации конструктивных, кинематических и технологических и параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом является характерный показатель, по значению которого возможна
Нива Поволжья № 3 (52) август 2019 177
оценка оптимальности наиденного решения. При планировании и проведении исследовании он должен иметь ясный физический смысл и количественную оценку технологического процесса выполняемого отдельным устройством. Поэтому, критериями оптимизации маслоизготовителя с гибким виброприводом, позволяющих произвести оценку сбивания сливочного масла являются среди количественных (энергетических) - энергоемкость, а среди качественных - степень использования жира (отхода жира в пахту). При этом за критерий оптимизации целесообразно принять энергоемкость сбивания сливочного масла, а степень использования молочного жира послужит ограничением этой целевой функции.
Энергоемкость сбивания сливочного масла определяется по формуле [12]:
N Вт ■ ч
Э =—^ -
Qm
(1)
кг
где Nпр - мощность привода маслоизгото-
вителя, Вт;
Qм - производительность маслоизго-
товителя, кг/ч.
Производительность маслоизготовите-ля определяется по формуле:
0 ■ С ■V
Q — Рс^ Гсл ,
tc
(2)
где рсл - плотность сливок, м ; С - выход сливочного масла; Vcл - объём сливок, м3; - время сбивания, с.
Выход сливочного масла зависит от массы заливаемых сливок и количества образованной после сбивания пахты:
m — m
С — сл '"п
(3)
тсл
где тсл - масса сливок, кг; т - масса пахты, кг.
п '
Для объективной оценки технологического процесса сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом были отобраны следующие факторы (параметры): конструктивные (радиус кривошипа, длина шатуна, высота емкости, диаметр мембраны, диаметр жесткого центра), кинематические (угловая скорость кривошипа), технологические (жирность и температура сливок, степень заполнения емкости). Однако при исследованиях невозможно установить влияние всех факторов и их взаимодействие[8, 12]. Поэтому на основании априорной информации, поисковых опытов,теоретического обоснования конструктивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом были выбраны наиболее существенные факторы (параметры): угловая скорость кривошипа, радиус кривошипа (амплитуда колебания), степень заполнения емкости. В таблице 1 приведены факторы и уровни их варьирования для трехфакторного эксперимента.
Остальные факторы при исследованиях не изменялись.
Результаты
Матрица и результаты трехфакторного эксперимента представлены в таблице 2. Результаты определены, как средние при трехкратной повторности.
Первоначально задавшись линейной зависимостью факторов обработку экспериментальных данных производили модулем Multiple Regression программы Statis-tica 6.0. Анализируя полученные данные, отмечается, что множественный коэффициент корреляции составляет R=0,498, а F-тест=0,017, который показывает степень плотности (разброса) опытных и расчетных значений. Следовательно, полученная математическая зависимость неадекватно описывает результаты опытов и необходимо перейти к зависимости второго порядка. После чего, экспериментальные данные были обработаны статистически модулем Nonlinear Estimation программы Statistica 6.0. В результате получены значения уровней значимости факторов на энергоемкость сбивания сливочного масла.
Таблица 1
Факторы и уровни их варьирования при трехфакторном эксперименте
Фактор Единица измерения Обозначение Уровни варьирования
Условное Кодированное —1 0 +1
Угловая скорость с-1 с х1 20 50 80
Радиус кривошипа мм R х2 3 5,5 8
Степень заполнения емкости % в хз 50 70 90
Матрица и результаты трехфакторного эксперимента
№ опыта Угловая скорость кривошипа Радиус кривошипа Степень заполнения ёмкости Энергоёмкость сбивания сливочного масла, Втч/кг
х1 х2 х2 Эс
1 1 1 1 64,8
2 1 1 -1 45,84
3 1 -1 1 53,45
4 1 -1 -1 51,72
5 -1 1 1 45,84
6 -1 1 -1 22,35
7 -1 -1 1 45,84
8 -1 -1 -1 43,4
9 1 0 0 28,22
10 -1 0 0 10,15
11 0 1 0 16,48
12 0 -1 0 16,5
13 0 0 1 28,23
14 0 0 -1 15,8
Согласно полученным данным математическая зависимость энергоёмкости сбивания сливочного масла от конструктивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом окончательно в закодированном виде примет вид:
Эс = 5,51750 + 7,645 • х1 + 5,905 • х3 + +13,6675 • х2 +10,9725 • х22 +16,4975 • х32 +
+ 2,215 • х,
х2 + 4,785 • х 2
х,
Вт • ч
кг
(4)
При этом множественный коэффициент корреляции R=0,995, а F-тест=0,985, который показывает степень плотности (разброса) опытных и расчетных значений. Следовательно, полученная математическая зависимость (4) адекватно описывает результаты опытов.
Для определения оптимальных параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом по энергоёмкости сбивания сливочного масла, полученные данные были обработаны в программе MathCAD на предмет поиска экстремума зависимости (4). Для чего полученную математическую зависимость (4) проинтегрировали по пе-
ременным х1, х2 уравнений:
х2 и получили систему
7,645 + 27,225 • х1 + 2,215 • х2 = 0 21,945 • х2 + 2,215 • х1 + 4,785 • х2 = 0. (5) 5,905 + 22,995 • х2 + 4,785 • х2 = 0
Решением системы уравнений (5) определили оптимальные значения конструк-
тивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом в кодированном виде:
х1 = -0,29 х2 = 0,086 х2 = -0,191
(6)
При оптимальных значениях конструктивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом энергоёмкость сбивания сливочного масла составит:
Э™ = 5,51750 + 7,645 • (х1 = -0,29)+ 5,905 • • (х2 = -0,191)+12,6675 • (х1 = -0,29)2 + +10,9725 • (х2 = 0,086)2 +16,4975 • (х2 = -0,191)2 + + 2,215 •(х1 = -0,29) • (х2 = 0,086) + 4,785 •
Вт • ч
(х2 = 0,086) • (х2 = -0,191) = 2,84
кг
(7)
Произведем расчет для построения двухмерных сечений поверхности отклика по энергоемкости сбивания сливочного масла при оптимальных значениях конструктивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом согласно таблице 4.
Представим математическую зависимость (7) для Эс = /1(х1, х2) в следующем виде:
Эс 0 а1 х1; а2 х2 а11 х1; 2 а22
а22 х2| х2
(8)
Нива Поволжья № 3 (52) август 2019 179
Данные для построения двухмерных сечений поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла при оптимальных значениях конструктивных, кинематических и технологических параметров маслоизготовителя с гибким виброприводом
Двухмерное сечение поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла Фактор (параметр) Значение
1 2 3
Эс = /1( Х1' Х 2 ) Угловая скорость кривошипа х^ 1 1 0.2
Радиус кривошипа x2j 1 ] 0.2
Степень заполнения ёмкости х3 0.191
Эс = /1( Х1' Х3) Угловая скорость кривошипа х11 1 1 0.2
Радиус кривошипа х2 0.086
Степень заполнения ёмкости x3j 1 j 0.2
Эс = /1 ( Х 2 , Х 3 ) Угловая скорость кривошипа х1 0.29
Радиус кривошипа х21 1 1 0.2
Степень заполнения ёмкости x3j 1 j 0.2
где 1 0 10 ^ о 10
Эс 0 а1 х1; а3 х3 а11 х1; 2 а22 а23 х2| х3
. (8)
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
х1
Рис. 1. Двухмерное сечение поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом от угловой скорости х1 и радиуса кривошипа х2 при оптимальном значении степени заполнения ёмкости х3
На основании расчетных значений энергоемкости сбивания сливочного масла
маслоизготовителя с гибким виброприводом с учетом уравнения (8) и таблицы 3 построены двухмерные сечения поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом в виде Эс = /1( х15 х2) (рис. 1-3).
-1 -0.3 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.3 1
х1
Рис. 2. Двухмерное сечение поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом от угловой скорости кривошипа х1 и степени заполнения ёмкости х3 при оптимальном значении радиуса кривошипа х2
пень заполнения ёмкости 0 = 0,66 (66 %). При этом энергоемкость сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким
виброприводом Эс = 3,84 Вт'ч при про-
кг
изводительности QM = 11,25 кг/ч, мощности на привод Nnp = 43,2 Вт и степени использования молочного жира S = 99,6 %, что соответствует отходу жира в пахту 0,4 % и не превышает требований ГОСТ. Заключение
Установлена адекватная математическая зависимость в закодированном виде энергоёмкости сбивания сливочного масла на маслоизготовителе с гибким виброприводом (4) для которой множественный коэффициент корреляции R=0,995, а F-тест=0,985. Построены двухмерные сечения поверхности отклика энергоёмкости сбивания сливочного масла на маслоизго-товителе с гибким виброприводом, а также установлены оптимальные его конструктивные, кинематические и технологические параметры: угловая скорость кривошипа о = 41,3 с"1, радиус кривошипа R = 0,0057 м и степень заполнения ёмкости 0 = 0,66 (66 %). При этом энергоемкость сбивания сливочного масла маслоиз-готовителем с гибким виброприводом составила Эс = 3,84 Вт'ч при производи-кг
тельности QM = 11,25 кг/ч и мощности на привод Nnp = 43,2 Вт, а степень использования молочного жира S = 99,6 %, что соответствует отходу жира в пахту 0,4 % и не превышает требований ГОСТ.
Литература
1. 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.-практич. конф., посвященной юбилею спец. кафедр инженер. факта (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.
2. 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: Пенз. гос. технол. ун-т, 2014. - № 6(22). - С. 177-180.
3. Пат. РФ 182020, МПК А 01J15/02, А 01J17/00. Масляный пресс / А.В. Яшин, Ю.В. Полывяный, Н.С. Кудеркин. - № 2017145823; Опубл. 31.07.2018, Бюл. № 22.
4. Пат. РФ 2366166, МПК А 01J 15/00. Устройство для получения сливочного масла / А.В. Яшин, В.С. Парфенов, В.Н. Стригин. - № 2008113909/13; заявлено 08.04.2008; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25. - 4 с.
5. Пат. РФ 2491813, МПК А 01J15/00. 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.
Нива Поволжья № 3 (52) август 2019 181
■1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Рис. 3. Двухмерное сечение поверхности отклика энергоемкости сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом от радиуса кривошипа х2
и степени заполнения ёмкости х3 при оптимальном значении угловой скорости кривошипа х1
Полученные значения факторов (параметров) в (6) подтверждаются двухмерными сечениями (рис. 1-3) и указывают на нахождение экстремума и получение минимальной энергоемкости сбивания сливочного масла маслоизготовителем с гибким виброприводом. Согласно полученным значениям проводим интерполяцию по каждому фактору, согласно таблицы 1, тогда оптимальные значения факторов (параметров) в раскодированном виде составят: угловая скорость кривошипа со = 41,3 с"1, радиус кривошипа (амплитуда вынужденных колебаний) R = А = 0,0057 м и сте-
6. Пат. РФ 2624925, МПК А 01 Л5/00.Маслоизготовитель / Ю.В. Полывяный, В.С. Парфенов,
B.А. Чугунов, А.В. Яшин. - № 2016104701; Заявлено 11.02.2016; Опубл. 11.07.2017, Бюл. № 20.
7. Полывяный, Ю.В. Маслоизготовитель периодического действия / Ю.В. Полывяный, В.С. Парфенов, А.В. Яшин // Восьмой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сборник инновационных проектов. - Саратов: Буква, 2013 - С. 136.
8. Разработка изготовителя масла периодического действия для фермерских хозяйств / В.Н. Стригин, В.С. Парфенов, А.В. Яшин, С.В. Стригин // Техника в сельском хозяйстве, 2010. - № 1. -
C. 8-10.
9. Яшин, А.В. К вопросу определения потребной мощности маслоизготовителя / А.В. Яшин,
B.С.Парфенов //Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, 2007. - № 6. -
C. 70-72.
10. Яшин, А.В. Маслоизготовитель для фермерских хозяйств / А.В.Яшин, B.C. Парфенов // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2007. - № 3. - С. 18.
11. Определение мощности на привод маслоизготовителя с гибким виброприводом / А.В. Яшин, Ю.В. Полывяный, А.Л. Мишанин, П.Н. Хорев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии, 2018. - № 4. - С. 92-101.
12. Оптимизация устройства агрегации микрометрических тел с встречновращающимися лентами Мёбиуса: монография / А.В. Яшин, В.С. Парфенов, В.Н. Стригин, И.Н. Сёмов. - Пенза: ПГУАС, 2014. - 164 с.
13. Maher, A. The influence of new equipment on microbiological count of milk in dairy Celeia, Graduation thesis / A. Maher // Maribor. - 2007. - P. 40-52.
14. Melken, A.A. Kuhlenfuttementmistenaufstellen / A.A. Melken // Alfa-Laval Komplett. - 1991. -P.36-46.
15. Fullwood modern milkine // Dairy Farmer. - 1994. - V.41. - № 6.- P. 01-06.
UDK 637.2.024
THE RESULTS OF LABORATORY STUDIES OF THE BUTTER MAKER WITH A FLEXIBLE VIBRATION DRIVE
A. V. Yashin, candidate of technical sciences, assistant professor;
Yu. V. Polyvyany, candidate of technical sciences
FSBEE HE Penza SAU, Russia, t. +7-902-209-96-91, e-mail: yashin.a.v@pgau.ru
The article deals with the relevant problem - the improvement of the technological process of churning butter and the development of the design of the butter maker. It is noted that in the presence of a significant number of small-scale family farms with small volumes of butter production, there is a need for butter makers with a periodic action. According to the analysis results of present designs and theoretical studies it was found that in order to reduce the loss of butter due to its adhesion to the churning mechanism and reduce the energy intensity of churning is necessary that the churning mechanism was made in the form of a membrane, which is simultaneously the bottom capacity, which performs periodic oscillatory movements by means of a crank mechanism. The criterion of optimization is defined - the energy intensity of churning butter, and the degree of using milk fat is used as limiting this objective function. The authors determined adequate mathematical dependence in the coded form the intensity of churning butter in the butter maker with flexible vibratory drive. In this case, the energy intensity of churning butter maker with a flexible vibration drive was
Эс = 3,84 Вт 4 when productivity was QM = 11,25 кг/ч and drive capacity Nnp = 43,2 Вт, and кг
the degree of using milk fat S = 99,6 %, which corresponds to the fat into buttermilk 0,4 % and doesn't exceed standards requirements.
Key words: flexible vibration drive, butter maker, membrane, churning mechanism, energy capacity.
Reference:
1. Parfenov, V. S. Innovative proposal of butter production for small-scale agricultural producers / V. S. Parfenov, A. V. Yashin, V. N. Strigin, Yu.V. Polyvyany // Relevant problems of agro-engineering and their innovative solutions: collection of scientific papers on the materials of the international scientific-practical conference dedicated to the anniversary special departments of the engineering the faculty (60 years dep. "Operation of machine-tractor park", "Technology of metals and repair of machines", "Agricultural, road and special machines", 50 years of the department "Mechanization of livestock"). - Ryazan: RSATU, 2013. - P. 223-228.
2. Parfenov, V. S. Device for making butter / V. S, Parfenov, A.V. Yashin, Yu. V. Polyvyanyy / / XXI century: the results of the past and the problems of the present plus. - Penza: Publishing house Penza. STU, 2014. - № 6(22). - P. 177-180.
3. Pat. RF182020, MPC 01J15/02, AND 01J17/00. Butter press / A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyanyy, N. S. Kuderkin. No 2017145823; Publ. 31.07.2018, bull. № 22.
4. Pat. 2366166 RF MPC 01J 15/00. A device for producing butter / A.V. Yashin, V.S. Parfyonov, V. N. Strigin. - № 2008113909/13; appl. 08.04.2008; publ. 10.09.2009, Bull. № 25. - 4 p.
5. Pat. RF 2491813, MPC 01J15/00. Butter maker of periodic action / V. S. Parfenov, A. V. Yashin, Yu. V. Polyvyanyy, V. N. Strigin. № 2012129083/10; appl.10.07.2012; Publ. 10.09.2013, Bull. № 25.
6. Pat. P02624925, MPC 01J15/00. Butter maker / Yu. V.Polyvyanyy, V. S., Parfenov, V. A. Chu-gunov, A. V. Yashin. № 2016104701; appl. 11.02.2016; Publ. 11.07.2017, Bull. № 20.
7. Polyvyanyy, Yu. V. Butter maker of periodic action / Yu.V. Polyvyanyy, V. S. Parfenov, A. V. Yashin // Eighth Saratov salon of inventions, innovations and investments: a collection of innovative projects. - Saratov: Bukva, 2013. - P. 136.
8. Strigin, V. N. Development of butter maker of periodic action for farms / V. N. Strigin, V. S. Parfenov, A.V. Yashin, S. V. Strigin / / Technika v selskom khozyaistve, 2010. - № 1. - P. 8-10.
9. Yashin, A.V., To the question of determining the required capacity of the butter maker / A.V. Yashin, V. S. Parfenov // Vestnik of Saratov state agrarian university named after N. I. Vavilov, 2007. - № 6. - P. 70-72.
10. Yashin, A.V. Butter maker for farms /A.V. Yashin, V.S. Parfenov // Mechanization and electrification of agriculture, 2007. - № 3. - P. 18.
11. Yashin, A. V. Determination of power to the drive of butter maker with a flexible vibratory drive / A. V. Yashin, Y.V. Polyvyany, A.L. Mishanin, P. N. Khorev // Izvestiya of the Samara state agricultural academy, 2018. - № 4. - P. 92-101.
12. Yashin, A. V. Optimization of the device of aggregation of the micrometer bodies with rotating Möbius bands: monograph / V. A. Yashin, V. S., Parfenov, V. N. Strigin, I. N. Semov. - Penza: PSUAC, 2014. - 164 p.
13. Maher, A. The influence of new equipment on microbiological count of milk in dairy Celeia, Graduation thesis / A. Maher // Maribor. 2007. - P. 40-52.
14. Melken, A.A. Kuhlenfuttementmistenaufstellen / A.A. Melken // Alfa-Laval Komplett. - 1991. -P.36 - 46.
15. Fullwood modern milkine // Dairy Farmer. - 1994. - Vol.41. № 6.- P. 01-06.
Нива Поволжья № 3 (52) август 2019 183
