CC BY
21
Литература.
1. Шахов В.А., Тарасова С.В., АсманкинА.Е. Обоснование способа теоретического исследования траекториальной устойчивости мобильных энергетических средств в условиях склонного земледелия //Известие ОГАУ. 2013. №5. С. 81-83.
2. Чудаков, Д. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля.Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1972. 384 с.
3. Рославцев, А.В. Теория движения тягово-транспортных средств. М.: УМЦ «Триада», 2003. 172 с.
4. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и с.-х. машин. М.:Агропромиздат,1988. 240 с.
methods of theoretical STuDiES on THE iNFLuENcE oF wHEELS SiDE sup angles on the transverse displacement of the vehicle moving on an inclined support surface
S.V. Tarasova, V.A. Shakhov, Ye. M. Asmankin, V.V. Reime
Summary. When a wheel car is driven downhill its total transverse slope displacement is formed of the down shift caused by slip angles of the tractor because of its inadequate turnability IHedn- and slip magnitude lck which is connected with soil layer destruction = 1^ + lH"anl . To substantiate theoretically the compensation ' of the transverse slope displacement of the vehicle, its turnability on the plane, in the process of which there develops a centrifugal force creating the side slip angles in pneumatic tires, has been considered. The similar phenomenon is being observed when driving the car on a slope, where the role of the centrifugal force is performed by the gravity force component, under the condition that the turn is being realized around the circumference of an infinitely large radius, which actually is the technological trajectory. When due to specific design the running part of the vehicle is of excess turnability, the center of its turn is located above the slope and as result an upward turn is performed which contributes to the compensation for the transverse displacement being due to the slip. In this connection the analytical condition for stabilization of the tractor unit on the technological trajectory is being considered from the viewpoint of equality of the machine offset being the result of sliding down and the offset of the vehicle in the upslope direction caused ■ by excessive turnability, which is formulated by the expression of functional components: slip
angles of front tires and rear wheels 81; 82; longitudinal machine base AC and the coordinate of the gravity center B. The above approach is considered to be the basis of developing an algorithm of the proposed methods of theoretical study on the influence of the angles of wheels side slip on the transverse displacement of the machine as it moves along an inclined support surface. It is a prerequisite for a new type of movement and for development of a mathematical model of trajectorial stability of a traction vehicle under the conditions of hillside farming.
Keywords: side slip angle, tractor, wheeled vehicle, technological corridor, stability, the slip process, movement trajectory.
УДК 631.171
сохранение качества молока инженерными
методами
Ю.А. УШАКОВ, доктор технических наук, профессор
О.Н. ТЕРЕХОВ, доктор технических наук, профессор,
Г.П. ВАСИЛЕВСКИЙ, инженер Н.Г. ДАНИЛОВА, аспирант Оренбургский ГАУ E-mail: [email protected]
Резюме. Параметры гидродинамических потоков в молоко-проводе в режиме доения и промывки должны быть разными. В режиме промывки участки с большей интенсивностью образования отложений необходимо подвергать большему механическому воздействию. В существующих доильных установках это не выполняется. Цель наших исследований - поиск и демонстрация резервов повышения эффективности промывки молокопровода для сохранения качества молока на примере крепления патрубка к молокопроводу. Расчет динамики образования и удаления загрязнений осуществляли методом контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы (уравнения Навье-Стокса) в свободном программном продукте Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation). Константы k - s модели турбулентности, согласно рекомендациям исследователей и результатам собственных экспериментов: Сц = 0,09, Сг1 = 1,44, Cs2 = 1,92, ak = 1,0, as = 1,3. Угол отклонения оси патрубка от нормали к оси молокопровода принимал два значения - 300 и 00. Диаметр трубы - 40 мм. Диаметр входного патрубка - 16 мм. Ширина сетки - 0,56 м. Высота сетки - 0,08 м. Шаг сетки по вертикали - 0,008 м. Скорость потока - 0,8 м/с. Необхо-
димое число итераций для схождения процесса численного моделирования - 140. Плотность размещения точек на ребрах геометрии расчетной области - 1 мм. В области крепления патрубка к молокопроводу интенсивность взаимодействия потока со стенками в диаметрально противоположных точках может отличаться более чем в 50 раз. Максимальная разность интенсивностей взаимодействия превышает 7 Па. Созданы предпосылки для выработки критериев формирования форм поверхностей проточных частей доильных установок по согласованию параметров потоков молоковоздушной смеси и моющего раствора. Их использование дает возможность усовершенствовать систему промывки и контроля чистоты деталей доильных установок, проектировать новые формы деталей доильных установок, взаимодействующих с молоком и моющим раствором.
Ключевые слова: доильная установка, молокопровод, промывка, форма поверхности, молочные загрязнения, качество молока.
Производство молока на малых и крупных фермах связано с большим расходом электроэнергии, труда и средств. Доильное оборудование необходимо мыть и дезинфицировать после каждого использования, поэтому очень важно сократить время проведения таких операций, сохранив их эффективность, снизив расход электроэнергии, воды и моющих средств. Экономически целесообразно использовать современные моющедезинфицирующие средства, установив обоснованные режимы санитарной обработки доильного
оборудования в условиях конкретной фермы и доильной установки [1].
Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что, несмотря на достаточно высокий технический уровень современных фермских молочных линий, показатели качества перекачиваемого молока не всегда удовлетворительны из-за его механического взаимодействия с поверхностями деталей линии [1, 2]. Это приводит к возникновению завихрений движущегося потока с гомогенизирующим эффектом и, как следствие, к деформации жировых шариков молока и повреждению их оболочек. В результате в продукции образуются масляные зерна и комки жира, которые оседают на внутренних поверхностях коммуникаций, задерживаются фильтрами и при промывке безвозвратно теряются.
После частичной гомогенизации остается дестабилизированный жир, который отстаивается и сбивается в масло при хранении. Такое молоко и вырабатываемая из него продукция достаточно быстро приобретают прогорклый и горький вкус, который нельзя устранить никакими технологическими приемами. Кроме того, воздух, засасываемый в молочные коммуникации, служит источником бактерицидного обсеменения.
При машинном доении более 90% микробных и механических загрязнений формируются из-за плохо промытых доильных аппаратов и молокопроводов.
Основная задача промывки доильного оборудования — удаление с поверхностей, соприкасающихся с молоком, различного рода загрязнений (молочных остатков, грязи, бактериальных скоплений и др.). Причем молочная пленка и жир служат не только благоприятной средой для быстрого размножения бактерий, но и причиной преждевременного износа резиновых деталей [3, 4].
Эффективность промывки молочной линии зависит от комплексного воздействия температуры, скорости и продолжительности циркуляции моющего раствора, его типа и концентрации. Анализ рекомендуемых технологических параметров показал, что промывка с формированием пробкового режима движения моющего раствора требует уточнения [5].
Таким образом, для решения проблемы повышения санитарного качества молока необходима доработка и совершенствование элементов системы технологических и технических мероприятий по обслуживанию молочной линии доильной установки.
Цель исследования - повышение эффективности промывки молокопровода для сохранения качества молока.
Для ее достижения решали следующие задачи: построение физико-математических моделей течений с учетом особенностей проточных частей доильных установок и определение их гидродинамических характеристик на примере входа в молокопровод;
разработка алгоритмов расчета гидродинамических характеристик проточных частей доильного оборудования и реализация алгоритмов их расчета в виде программных модулей на примере программного продукта Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation).
Условия, материалы и методы. Объект исследования - гидродинамические процессы взаимодействия молока, воздуха, молочно-воздушной смеси и моющего раствора с внутренними поверхностями деталей доильных установок.
Предмет исследования - закономерности образования и удаления загрязнений на поверхностях деталей доильных установок, влияние воздействия поверхностей этих деталей на качество молока.
Рабочая гипотеза исследования основана на том, что согласование процессов образования и удаления загрязнений на поверхностях деталей доильной установки, взаимодействующих с молоком и моющим раствором на этапе проектирования, совершенствование системы контроля параметров этих процессов
Рис. 1. Этапы создания структурированной разностной сетки области исследования: а) сетка с опорными точками для построения расчётной геометрии; б) рёбра расчётной области, разбитые на интервалы для привязки структурированной разностной сетки; в) структурированная разностная сетка в области исследования и типы границ для построенной геометрии: 1 - вход в молокопровод или вакуумпровод; 2 - вход в молочный (вакуумный) патрубок; 3 -выход из молокопровода (вакуумпровода); 4, 5, 6, 7, 8 - стенки.
Таблица 1. Граничные условия на входной области малого канала
1 Горизонтальная скорость
(проекция скорости на ось Х), м/с 0
2 Проекция скорости на ось Y, м/с 0.8
3 Проекция скорости на ось Z, м/с 0
4 Интенсивность турбулентности, % 10
5 Гидравлический диаметр, м 0.008
6 Температура рабочей жидкости, оК 300
7 Плотность молока, кг/м3 1031
8 Удельная теплоёмкость молока, Дж/(кг оС) 3885
9 Вязкость молока, сП-1000 1
10 Угол поворота, град 90
С 2 =
при доении и промывке, обеспечение возможности управляемого механического воздействия деталей на молоко снижают энергоёмкость доения и промывки, повышают качество получаемого молока.
Методы исследований опираются на современные информационные технологии, включающие адекватные физико-математические модели изучаемых явлений (трехмерные уравнения Навье-Стокса), эффективные вычислительные алгоритмы (метод конечных объемов, метод конечных элементов), принципы создания проблемно-ориентированных программных комплексов. Для расчета динамики образования и удаления загрязнений применяли метод контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы. Константы к - е модели турбулентности, согласно рекомендациям исследователей и результатам собственных экспериментов, были приняты следующими: Сц = 0,09, Се1 = 1,44, 1,92, ак = 1,0,е а = 1,3 [6].
В своих исследования мы моделировали гидродинамический поток в области входа патрубка в трубопровод, выполненного в вертикальной плоскости: диаметр трубы - 40 мм, диаметр входного патрубка -8 мм и 16 мм, ширина сетки - 0,56 м (четыре диаметра до входа - 0,16 м и десять диаметров после входа - 0,4 м), шаг сетки -0,008 м. высота сетки - 0,08 м (пять (можно четыре) диаметров до входа патрубка в трубопровод - 0,04 м плюс диаметр молокопровода -0,04 м), шаг сетки по вертикали - 0,008 м.
Плотность размещения точек на ребрах определяется интервалом в 1 мм (рис. 1).
Необходимое для сходимости число итераций может изменяться в зависимости от используемой платфор-
мы. Для компьютера Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU T5550 @ 1.83GHz, 2ГБ ОЗУ процесс сходится приблизительно после 140 итераций. После достигнутой сходимости добиваемся дисбаланса массы, количества движения, энергии и скалярных величин меньше чем 0,2 %. Полученный общий баланс массы, количества движения, энергии и скалярных величин позволяет приступить к анализу результатов численного моделирования.
Граничные условия на входном отверстии сечения молокопровода и молочного патрубка, а также на выходном сечении молокопровода и на остальных стенках сведены в таблице.
Результаты и обсуждение. Рассмотрим два случая отхождения патрубка от молокопровода.
Ось патрубка составляет с осью молокопровода 600. Взаимодействие со стенками на участке с координатами xот 0,1 м до 0,3 м (Хе[0,1; 0,3], рис. 2а) носит сложный характер. До точки х = 0,1 взаимодействие со стенками 4 и 5 молокопровода становится менее интенсивным, но одинаковым на диаметрально противоположных стенках. Количество отложений увеличивается. Одновременно по мере приближения к этой точке уменьшается эффективность промывки. Далее взаимодействия начинают различаться. Со стенкой
Рис. 2. Интенсивность взаимодействия частиц потока со стенками при входе патрубка в трубопровод под углом 600 (а) и 900 (б): 1 - стенка 4; 2 - стенка 5; 3 - стенка 6; 4 - стенка 7; 5 - стенка 8.
5 - уменьшение до величины 0,6 Па, а со стенкой 4 -увеличение до значения 3 Па.
В патрубке складывается аналогичная картина, которая усложняется разными законами взаимодействия потока со стенками 6 и 7 (линии на графике не совпадают) в диаметрально противоположных точках. По мере приближения потока в патрубке к входу в моло-копровод интенсивность взаимодействия со стенками начинает различаться и достигает разности величиной 6,5 Па. Непосредственно в месте соединения патрубка с молокопроводом интенсивность взаимодействия с диаметрально противоположными стенками отличается в 14 раз.
За входом патрубка в молокопровод (от точки с координатой х= 0,175)интенсивность взаимодействия со стенкой 8 начинает уменьшаться с величины 4 Па, достигает минимума - 0,1 Па (точка с координатой х = 0,21 ), затем увеличивается до величины - 3,9 Па (точка с координатой х = 0,29). В то же время взаимодействие потока с диаметрально противоположной стенкой 4 сначала увеличивается от 4 Па, достигает максимума - 5 Па, затем уменьшается до 3,9 Па. Наиболее неблагоприятные условия складываются в точке с координатой х = 0,21. На стенке 8 отмечается максимальная интенсивность образования отложений и минимальное механическое воздействие в режиме промывки. Здесь практически застойная зона. На стенке 4 складывается обратная ситуация. Интенсивность взаимодействия в противоположных точках отличается в 50 раз.
Далее взаимодействие потока со стенками 4 и 8 выравнивается и стабилизируется на величине 3,75 Па (хе[0,3; 0,55]).
Ось патрубка составляет с осью молокопровода 900(рис. 2б). В этом случае в отличие от предыдущего, когда взаимодействие со стенками 4 и 5 уменьшалось по квадратичному закону, мы наблюдали увеличение интенсивности взаимодействия (хе[0,0; 0,025]), за-
тем - уменьшение (хе[0,025; 0,065]), далее линии расходятся (хе[0,065; 1,2]), интенсивность взаимодействия в противоположных точках отличается в 5 раз. Воздействие на стенку 4 продолжает взрастать до точки с координатой х = 0,162, достигая величины 6,6 Па, затем убывает до х = 0,52 и Р = 2,7 Па.
Воздействие на противоположную стенку 8 изменяется по другому закону. На участке хе [0,136; 0,162] -убывает, хе[0,162; 0,525] - возрастает. Минимальное значение составляет 0,1 Па. В точке с координатой х = 0,162 взаимодействие с противоположными стенками отличается более чем в 70 раз и выравнивается только в точке х = 0,52 и далее по потоку.
Характер взаимодействия с противоположными стенками патрубка (стенка 6, стенка 7) отличается более чем в 10 раз.
Выводы. В результате проведенных численных расчетов с помощью пакета Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation) была получена картина движения потоков. Определены поля скоростей и давлений в объеме и на характерных плоскостях внутри конструкции, кинетической энергии турбулентности и скорости её диссипации.
В области крепления патрубка к молокопроводу интенсивность взаимодействия потока со стенками в диаметрально противоположных точках может отличаться более чем в 50 раз. Максимальная разность интенсивностей взаимодействия превышает 7 Па.
Созданы предпосылки для выработки критериев формирования форм поверхностей проточных частей доильных установок по согласованию параметров потоков молоковоздушной смеси и моющего раствора. Их использование позволит усовершенствовать систему промывки и контроля чистоты деталей доильных установок, проектировать новые формы деталей доильных установок, взаимодействующих с молоком и моющим раствором.
Литература.
1. Цой Ю.А. Процессы и оборудование молочно-доильных отделений животноводческих ферм. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. 424 с.
2. Соловьёв, С.А. Асманкин Е.М., Асманкин А.М. Основы моделирования функциональных элементов исполнительных механизмов биотехнической системы: учебное пособие. Оренбург: Изд. центр ОГАУ, 2003.
3. Волков И.Е., Зиганшин Б.Г. Совершенствование вакуумных средств механизации в молочном животноводстве. Казань: Изд-во Казан. университета, 2006. 274 с.
4. Шулятьев В.Н. Повышение эффективности функционирования нагнетателей-преобразователей технологических линий и технических средств в молочном скотоводстве: автореф. дис. ... докт. техн. наук. Киров, 2004.
5. Кирсанов В.В. Основные направления совершенствования доильного оборудования для доения коров в стойлах и доильных залах// Научные труды ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии. 2009. Т. 20. № 2. С. 33-38.
6. Карташов Л.П., Ушаков Ю.А. Динамика эмульсий в сложных закрытых каналах технологического оборудования. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. 223 с.
PRESERVATION OF QUALiTY OF MiLK ENGiNEERiNG METHODS Y.A. Ushakov, O.N. Terekhov, G.P. Vasilevsky, N.G. Danilova Orenburgsky State Agrarian University
Summary. Hydrodynamic parameters in a milk flow in the milking mode and washing must be different. Areas with greater intensity scaling in washing mode must be at greater mechanical abrasion and areas with less intensity deposits - less. In existing milking machines it is not fulfilled. The purpose of research - show reserves increase washing efficiency of the milk to maintain milk quality on the example of the nozzle attachment to milk line. To calculate the dynamics of the formation and removal of pollution control volume method was used to solve the equations of two-phase fluid dynamics in the areas of complex shape ( Naive-Stokes ) in the free software Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation). Constants k-s turbulence model , as recommended by the researchers and the results of our experiments: Сц = 0.09, Сг1 = 1.44, Cs2 = 1.92, ak = 1.0, as = 1.3. The deflection angle of the nozzle axis normal to the axis of the milk takes two values - 300 and 00. Pipe diameter - 40 mm. Inlet diameter - 16 mm. Mesh width - 0.56 m. Height of the net - 0.08 m. Spacing vertically - 0.008 m. Flow rate - 0.8 m/s . The number of iterations required for convergence of numerical modeling process - 140. Density placement points on the edges of the geometry of the computational domain - 1 mm. In the milk line to the tube fixing strength of the interaction with the walls of the flow at diametrically opposite points may differ by more than 50 times. The maximum difference between the intensities of interaction is more than 7 Pa. The prerequisites for the development of criteria for the forms surfaces flowing parts of milking machines in coordination parameters streams of milk and detergent solution. Using these criteria will improve the washing system and purity control of parts of milking machines, new forms of design details of milking machines, interacting with milk and detergent solution.
Keywords: milking machine, milk line, washing, the surface form, dairy pollution, quality of milk.
