CC BY
10
УДК 001.894: 347.77.012.39
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-610-614
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ШНЕКОВОГО МАКАРОННОГО ПРЕССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕКОТОРЫХ МЕТОДОВ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ АНАЛИЗА
Т.И. Китанина
В работе рассмотрено использование морфологических методов Цвикки при модернизации и создании новых технических решений на примере шнекового макаронного пресса.
Ключевые слова: общий морфологический анализ, Фриц Цвикки, метод морфологической матрицы, новые технические решения, шнековые прессы.
Общий морфологический анализ ^МА) - это метод идентификации и исследования всего набора возможных взаимосвязей или «конфигураций», содержащихся в данном проблемном (техническом) комплексе. В этом смысле он тесно связан с анализом типологии, хотя GMA более обобщен по форме и имеет гораздо более широкие приложения. Подход начинается с выявления и определения параметров (или измерений) проблемы комплекса, подлежащий исследованию, и присвоение каждому параметру диапазона соответствующих «значений» или условий. Морфологический блок, также известный как «блок Цвикки», создается путем сопоставления параметров друг с другом в П -мерной матрице (рис. 1). Каждая ячейка П -мерного блока содержит одно конкретное «значение» или условие каждого из параметров, и таким образом, выделяет конкретное состояние или конфигурацию проблемного комплекса
[1-4].
Например, определяем простой технический комплекс состоящий из трех измерений - скажем, «цвета», «формы» и «размера». Обозначим первые два измерения как состоящие из 5 дискретных «значений» или условий. Например, цвет - «зеленый, синий, красный, желтый, коричневый», форма - «плоская, квадратная, острая, круглая или упругая», и третье, состоящее из 3 значений - размер - «большой, средний и маленький». Появляется 5*5*3=75 ячеек в поле Цвикки, каждая из которых содержит 3 условия - т.е. по одному из каждого измерения (например, красный, круглая, большой (рис. 1,2, П1.3, П2.4, П3.1). Вся 3-мерная матрица представляет собой типологическое поле, содержащее все (формально) возможные вовлеченные отношения, или даже возможно взаимосвязи.
Формат типологического поля использует размеры физического пространства для представления его переменных как в декартовой системе координат. Однако число координат, которые могут быть представлены в физическом пространстве, заканчивается тремя. Типологии больших измерений, представляющие гиперпространства, обычно решают эту проблему путем встраивания переменных друг в друга.
Параметр 1 Параметр 2 Параметр 3
1111 П2.1 П3.1
П1.2 П2 2 П3.2
111 3 П2-3 113 3
П1.4 П24
111-5 112.5
Рис. 1. Блок Цвикки
Рис. 2. Морфологическое поле
Однако такие форматы быстро становятся трудными для интерпретации, если не безнадежно непонятными. Использование формата морфологического поля (матрицы) (рис. 2) освобождает от пространственных ограничений из 3-мерного пространства и позволяет выделять любое количество измерений. «Матризация» параметров с целью выявления множества взаимосвязей в техническом комплексе, не является чем-то новым. Широко используемая «четырехкратная таблица» и изучение построения типологии как метода классификации подтверждают этот факт [2-4]. Однако высоко систематизированный подход Цвикки к структурированию многомерных задач превратил общую морфологию в самостоятельную дисциплину. Этот метод стремится быть как интегративным, так и исследовать граничные условия сложных задач. Используемый должным образом - и для правильных типов проблемных комплексов -метод обманчиво сложен и богат.
Приведем пример такого анализа, чтобы проиллюстрировать принципы использования данного морфологического метода GMA.
Морфологический анализ шнекового макаронного пресса. Анализ конструкций шнековых макаронных прессов (далее ШМП) проведен с помощью метода морфологического поля (матрицы). На основе литературного и патентного поиска подбирались возможные решения морфологических признаков, характеризующих ШМП [5-7]. Проводилось систематизированное получении их сочетаний. Строилась морфологическая матрица, строки которой представляли собой варианты морфологических признаков. Рассматривая разные сочетания вариантов, можно получить множество неизвестных технических решений.
Применительно к (ШМП) морфологическая матрица может быть трехуровневой. Первый уровень (А) содержит признаки, характеризующие общую компоновку и виды вспомогательных устройств ШМП. Второй уровень (В) и третий уровень (С) содержат признаки, характеризующие главные устройства ШМП.
Уровень А (общая компоновка).
А1 - Вид теста:
А1.1 - из твердой пшеницы, А1.2 - из мягкой пшеницы, А1.3 - крупка, А1.4 - полукрупка, ...
А2 - Компоновка ШМП:
А2.1 - горизонтальная, А2.2 - вертикальная, А2.3 - комбинированная.
А3 - Привод ШМП:
А3.1 - единый, А.3.2 - раздельный, А3.3 - электрический, А3.4 - гидравлический, А3.5 - комбинированный.
А4 - Устройства подачи муки:
А4.1 - гравитационная подача, А4.2 - шнековая подача, А4.3 - лопастная подача, А4.4 - поршневая подача, А4.5 - барабанная подача, А4.6 - конвейерная подача, А4.7 - тарельчатая подача, А4.8 -виброподача, А4.9 - комбинированная подача, ...
А5 - Устройства подачи эмульсии (воды):
А5.1 - гравитационная подача, А5.2 - крыльчатка, А5.3 - черпаковая подача, А5.4 - - лопастная подача, А5.5 - поршневая подача, А5.9 - комбинированная подача, ...
А6 - Вакуумная система:
А6.1 - в корпусе прессующего шнека, А6.2 - после определенной камеры тестосмесителя, А6.3 - вакуумный затвор между камерами, А6.3 - перегрузочные окна между камерами, А6.4 - перепускной канал, ...
А7 - Трубопроводы:
А7.1 - холодной воды, А7.2 - горячей воды, А7.3 - слива воды, А7.4 - вакуумной установки, ...
А8 - Режущий механизм:
А8.1 - ножевой, А8.2 - дисковый, А8.3 - шиберный, ...
А9 - Обдувочное устройство:
А9.1 - сопловое, А9.2 - щелевое, А9.3 - поворотное, ...
А10 - Дополнительные устройства:
А10.1 - устройства равномерной подачи компонентов, А10.2 - устройства сбора пыли, А10.3 -стабилизаторы давления, ...
Уровень В. Устройство смешивания компонентов теста.
В1 - Реализация в машине стадий замеса:
В1.1 - смешивание компонентов теста, В1.2 - создание структуры теста, В1.3 - пластификация
теста.
В2 - Число камер замеса:
В2.1 - одна, В2.2 - две, В2.3 - - три, В2.4 - четыре, ...
В3 - форма камер:
В3.1 - цилиндрическая, В3.2 - коническая, ...
В4 - Число валов замеса:
В4.1 - один, В4.2 - два, В4.3 - три, ...
В5 - Лопастное устройство смешивания:
В5.1 - Т-образные лопасти, В5.2 - трапециальные лопасти, В5.3 - поворотные лопасти, В5.4 - с фиксированным поворотом лопастей, В5.5 - с устройством очистки лопастей, В5.6 - с лопастями на валу и корпусе, В5.7 - с горизонтальными планетарными лопастями, В5.8 - с устройством одновременной настройки поворота лопастей, В5.9 - с непрерывно вращающимися вокруг собственных осей лопастями, . В5.10 - дополнительные планетарные валы с лопастями, В5.11 - подпружиненные лопасти, ...
В6 - Шнековое устройство смешивания:
В6.1 - сплошной шнек, В6.2 - ленточный шнек, В6.3 - постоянного шага, В6.4 - переменного шага, В6.5 - постоянного диаметра, В6.6 - переменного диаметра, В6.7 - с устройством очистки лопастей, В6.8 - с тормозными ребрами, В6.9 с горизонтальными планетарными шнеками, ...
В7 - Стержневое устройство смешивания:
В7.1 - радиальные стержни, В7.2 - наклонные стержни, В7.3 - стержни на валах, В7.4 - стержни на валах и корпусе, В7.5 - фигурные стержни, ....
В8 - Дисковое устройство смешивания:
В8.1 - гладкие диски, В8.2 - диски с вырезами, В8.3 - диски с отогнутыми краями, В8.4 - фигурные диски,.....
В9 - Осевые втулки (заслонки, клапаны):
В9.1 - осевая втулка с лопастями, В9.2 - регулируемая заслонка, В9.3 - виброзаслонка, В9.4 -щелевой клапан, В9.5 - направляющий конус-пластификатор, ... В10 - Комбинированное устройство смешивания. Уровень С. Шнековое прессующее устройство. С1 - шнековый корпус:
С1.1 - гладкий, С1.2 - с продольными рифлями, С1.3 - антиадгезионный (шлифованный или хромированный), ...
С2 - Количество шнеков:
С2.1 - один, С2.2 - два, С2.3 - четыре, ...
С3 - Число матриц:
С3.1 - одна, С3.2 - две, С2.3 - четыре, ... С4 - Число заходов шнека:
С4.1 - однозаходный, С4.2 - многозаходный, С4.3 - комбинированный. С5 - Конструктивное исполнение прессующего шнека:
С5.1 - сплошной, С5.2 - с разрывом винтовой плоскости, С5.2 - ленточный, С5.3 - лопастной, С5.4 - фасонный. ...
С6 - Шаг шнека:
С6.1 - постоянный, С6.2 - переменный;
С7 - Диаметр шнека:
С7.1 - постоянный, С7.2 - переменный;
С8 - Направление витков шнека:
С8.1 - правое, С8.2 - левое, С8.3 - комбинированное;
С9 - Устройство очистки шнека:
С9.1 - отсутствует, С9.2 - лопастное, С9.3 - скребковое, ... С10 - Охлаждающее устройство:
С10.1 - водяная рубашка, С10.2 - трубы, С10.3 - радиатор, ... С11 - Тубус (предматричная зона):
С11.1 - цилиндрический, С11.2 - конический, С11.3 - фигурный, С11.4 - из нескольких труб разной длины и диаметра, С11.5 - в виде перегородки со щелью, С11.6 - с направляющими ребрами, ... С12 - Прессовая головка под матрицу: С12.1 - с обогревом при пуске, С12.2 - с охлаждением, ... С13 - Форма матрицы:
С13.1 - круглая, С13.2 - прямоугольная, С13.3 - фигурная, ... С14 - Механизм смены матриц.
Генерирование конструкции макаронного пресса. Из матрицы может быть генерирован вариант ШМП (рис. 3), например: А2.1 А3.1 А4.9 А5.9 А6.3 В2.1 В4.1 В5.1 С1.1 С2.1 С3.1 С4.1 С5.1 С6.1 С8.1 С9.1 С10.1 С11.1 С12.2 С13.1 С11.6.
Рис. 3. Схема ШМП по генерированному варианту: 1 - дозатор муки; 2 - дозатор воды; 3 - корыто; 4 - вал с лопатками; 5 - привод; 6 - шнековый цилиндр; 7 - шнек; 8 - водяная рубашка; 9 - прессовая головка; 10 - сменная матрица; 11 - режущий механизм; 12 - обдувочное устройство;
13 - блок направляющих ребер
Расшифровка варианта. Шнековый макаронный пресс горизонтальной компоновки. Единый электропривод. Шнековая подача муки. Крыльчатое устройство подачи эмульсии. Перепускной вакуумный канал. Трубопроводы холодной воды, слива воды, вакуумной установки. Ножевой режущий меха-
612
низм. Сопловое обдувочное устройство. Одна цилиндрическая камера для смешивания и создания структуры теста. Один вал замеса с трапециальными лопастями. В гладком корпусе один правый однозаход-ный с разрывом винтовой поверхности шнек постоянного диаметра и шага. Тубус с водяной рубашкой. Круглая матрица с механизмом смены. Сменный блок направляющих ребер.
Пути совершенствования (модернизации) ШМП с использованием элементов морфологической матрицы. Для определения путей совершенствования ШМП был проведен литературный и патентный поиск. Для повышения эффективности работы данного вида оборудования оборудования используется разнообразные технико-технологические решения. Основными путями совершенствования (рис.4) являются:
1. Повышение качества теста.
1.1 Повышение равномерности и интенсификация смешивания компонентов (А4.2-А4.9, А5.2-
А5.9, ...).
1.2 Создание оптимальной структуры теста:
- несколько камер замеса значительного удлинения (В2.2-В2.4, В4.1-В4.3),
- отдельный привод и валы для смешивания (В4.1-В4.3.),
- регулировка наклона лопастей (В5.3-В5.11.),
- тормозные ребра (В5.6),
- горизонтальные планетарные шнеки и стержни (В5.10),
- стабилизация давления в камере (А10.3).
1.3 Улучшение выравнивания теста на стадии пластификации:
- отдельный привод и вал для пластификации (С2.1-С2.3)
- конструктивное исполнение шнека (С4.1-С4.3, С5.1-С5.4, С6.1-С6.2, С7.1-С7.2),
- тормозные устройства на корпусе (С11.2 - С11.6),
- совершенствование прессовой головки (С10.1-С10.3, С12.1-С12.2, С13.1-С13.3, С14)
2. Повышение производительности.
2.2 Интенсификация подачи компонентов (А4.2-4.9, А5.2-А5.9, ...)
2.2 Интенсификация смешивания компонентов (В2.2-В2.4, В3.2, В4.2-В4.3, В5.9-В5.10, В6.8-В6.9, В9.1-В9.5...)
2.3 Интенсификация подготовки теста на стадии пластификации:
- форма шнекового корпуса (С1.2 - С1.3, ...),
- совершенствование шнеков (С.2-С4.3, С5.2-С5.4, С6.2, С7.2, С8.3, С9.1-С9.3, ...),
- совершенствование тубуса (С11.2-С11.6, ...)
- совершенствование прессовой головки (С12.1-С12.2, С13.1-С13.3, С14,...)
3. Повышение экономичности и универсальности.
3.1 Упрощение конструкции (А3.1, А4.1, А5.1, А6.3, ...).
3.2 Уменьшение энергозатрат (А3.2, А4.1, А5.1, А8.1, А9.1, ...).
3.3 Возможность регулировки, обслуживания и замены
- регулировка угла поворота лопастей (В5.3, В5.8, В9.1-В9.5, ...),
- регулировка заслонок и клапанов (С11.5, С14, ...).
Рис. 4. Пути совершенствования шнекового макаронного пресса с использованием морфологической матрицы
Конечно, существует множество методов GMA: метод охвата полей, метод систематического полевого покрытия, метод морфологического ящика и др. [1,2]. Однако, как само морфологическое поле, так и оценки, помещенные в матрицу перекрестной согласованности [2-4], представляют собой довольно четкий «контрольный след», который делает процессы оценки неотъемлемыми от GMA и относительно прослеживаемыми и даже воспроизводимыми. Эти и другие методы GMA будут использованы автором в дальнейших исследованиях, проводимых при создании новых технических решений и модернизации существующих [5-6].
Список литературы
1. Морфологический анализ. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Морфологический анализ (дата обращения: 10.05.2022).
2. Fritz Zwicky. Discovery Invention, Research Through the Morphological Approach. McMillan, 1969. 276 p.
3. Ritchey T. General Morphological Analysis // Swedish Morphological Society 2002 (revised 2013). 10 p.
4. Ritchey T. Acta Morphologica Generalis Vol. 1 No. 2 (2012).
5. Панфилов В.А. Проектирование, конструирование и расчет техники пищевых технологий: Учебник. СПб.: Изд-во «Лань», 2013. 912 c.
6. Технология производства макаронных изделий. [Электронный ресурс] URL: https://itexn.com/7418 tehnologiia-proizvodstva-makaronnyh-izdelii.html (дата обращения: 10.05.2022).
Китанина Татьяна Игоревна, магистрант, tanyakitanina35@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPROVING THE SCREW PASTA PRESS USING SOME METHODS OF MORPHOLOGICAL ANALYSIS
T.I. Kitanina
The paper considers the use of morphological methods of Zwicky in the modernization and creation of new technical solutions on the example of a screw pasta press.
Key words: general morphological analysis, Fritz Zwicky, morphological matrix method, new technical solutions, screw presses.
Kitanina Tatiana Igorevna, master, tanyakitanina35@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.3.0
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-614-619
ОСОБЕННОСТИ АППАРАТОВ ВИХРЕВОГО СЛОЯ
Г.В. Селиверстов, С.А. Мотевич, Ю.О. Вобликова
В статье рассматриваются вопросы особенностей устройства аппаратов вихревого слоя. Рассмотрено устройство системы охлаждения, системы подачи обрабатываемого продукта и системы питания электрическим током. Определяются направления совершенствования этих аппаратов.
Ключевые слова: аппарат вихревого слоя (АВС), особенности конструкции, индуктор, система охлаждения, система подачи обрабатываемого продукта, рабочая камера.
Аппарат вихревого слоя представляет собой пример лабораторно-технологического оборудования для осуществления химических процессов с повышенным качеством. Качество процессов обеспечивается путем осуществления их в вихревом слое, создаваемым этим аппаратом. Вихревой слой- это хаотическое движение ферромагнитных элементов во вращающемся магнитном поле, которое как приводит эти элементы в движение, так и удерживает в рабочей камере. Ферромагнитные элементы представляют собой куски магнитного материала, обычно имеющие цилиндрическую форму длиной 5-20 мм и диаметром 1,5-3 мм. В вихревом слое осуществляется сложное взаимодействие с обрабатываемым продуктом из-за комплекса различных факторов: измельчение твердых веществ в жидких и дисперсионных средах (за счет механического движения ферромагнитных элементов), активация поверхности частиц твердых веществ (за счет электрических полей и процесса электролиза), изменение физических и химических свойств веществ (за счет электрических и магнитных полей).
По характеру обрабатываемого продукта аппараты вихревого слоя могут осуществлять жидко-фазные и гетерогенные процессы [1], при этом обрабатываются жидкости и пульпы. Также могут осуществляться процессы перемешивания сухих сыпучих материалов [2]. Вне зависимости от характера продукта цикл работы может быть непрерывным и циклическим.
614
