CC BY
1ф
Вестник РГАТУ, № 3 (27), 2015
УДК 638.171.2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТДЕЛЕНИЯ ВОСКОВОГО СЫРЬЯ ОТ РАМОК ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ СИЛАМИ
НЕКРАШЕВИЧ Владимир Федорович, д-р техн. наук, профессор кафедры механизации животноводства, e-mail: MCX-RGATU@yandex.ru
ПОПОВ Андрей Сергеевич, канд техн. наук, доцент кафедры строительства инженерных сооружений и механики MCX-RGATU@yandex.ru
НАГАЕВ Николай Борисович, аспирант кафедры механизации животноводства, nikolas_ burdisso@mail.ru
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Пчеловодство - неотъемлемая часть сельского хозяйства. Динамичное развитие отрасли возможно только при достаточном количестве добываемого воска для производства вощины, но пока наша страна вынуждена закупать около 700 тонн воска ежегодно. Решение данной проблемы кроется в более полном извлечении воска из воскового сырья в процессе вытопки. Это возможно лишь при применении на пасеках современных устройств для вытопки воска. Для решения этой проблемы был разработан агрегат для вытопки воска из рамок с восковым сырьем, который способен извлекать при перетопке до 85-90% воска от восковитости сырья. Процесс вытопки воска - сложный процесс, состоящий из нескольких операций, а именно: загрузка рамок в агрегат, разваривание воскового сырья в рамках, отделение воскового сырья от рамок при помощи центробежной силы, отпрессовка воскового сырья в воскопрессе, Процесс вытопки воска достаточно сложный и требует досконального теоретического исследования. В статье приведено теоретическое исследование процесса отделения воскового сырья от рамок с восковым сырьем во время вытопки воска и определена установочная мощность привода ротора центрифуги агрегата для вытопки воска, что необходимо для дальнейшего проектирования и разработки конструкторской документации при создании лабораторного и опытно-производственного образцов агрегата. Результаты исследований могут быть использованы также при конструировании устройств подобного типа действия (радиальные медогонки, отделители воско-перговой массы и. т. п.).
Ключевые слова: агрегат для вытопки воска, отделение воскового сырья, воск, центрифуга.
Введение
Пчеловодство - неотъемлемая часть сельского хозяйства. Динамичное развитие отрасли возможно только при достаточном количестве добываемого воска для производства вощины, но пока наша страна вынуждена закупать около 700 тонн воска ежегодно. Решение данной проблемы возможно двумя способами: увеличением количества отобранных сотов из ульев, что может привести к задержке весеннего развития, так как в начале весны необходимо подставлять в большом количестве рамки для того, чтобы матка засевала их расплодом, и пчелы накапливали мед и пергу. Второй путь - увеличение количества получаемого воска при переработке сотов пчеловодами, другими словами, требуется добиться более полного извлечения воска из воскового сырья в процессе вытопки. Это возможно лишь при применении на пасеках современных устройств для вытопки воска, способных извлекать большее количества воска из того же количества воскового сырья. Для решения этой проблемы нами в Рязанском государственном агротехнологическом университете имени П.А. Костычева был разработан агрегат для вытопки воска из рамок с восковым сырьем [1], который способен извлекать при перетопке до 85-90% воска от восковитости сырья. Процесс вытопки воска - сложный, состоящий из нескольких операций, а именно: загрузки рамок в агрегат, разваривания воскового сырья в рамках, отделения воскового сырья от рамок при помощи центробежной силы, отпрессовки воскового сырья в вос-_© Некрашевич В. Ф., Попов А.
копрессе. Многие операции были рассмотрены и исследованы учеными, занимающимися данными проблемами ранее, кроме процесса отделения воскового сырья, и именно поэтому досконального теоретического обоснования требует операция отделения воскового сырья от рамок.
Теоретическая часть Для теоретического обоснования предлагаемого процесса отделения воскового сырья от рамок определим, какие силы действуют на рамки в процессе центрифугирования. Представим расчетную схему крепления рамок с восковым сырьем в центробежном агрегате для вытопки воска (рис.1).
Для определения общего центра тяжести трех рамок найдем их центры тяжести в отдельности, после этого соединим их, в получившемся треугольнике из всех углов проведем медианы, и на пересечении медиан будет общий центр тяжести рамок. Сведем массу всех частиц воскового сырья, содержащегося в рамках, к общему центру тяжести, и рассмотрим систему сил, действующих на рамки. В общем центре тяжести рамок действует F - центробежная сила инерции, F - сила сце-
цент ~ ~ 1 1 ' тр ~
пления частиц воска с рамкой, Fин - инерционная сила, отделяющая воск от рамки, N - сила реакции, действующая в сотах.
Процесс отделения воска будет происходить, если выполняется условие
F > F
ин тр
С., Нагаев Н. Б. 2015г.
(1)
Технические науки
-и
1 - держатель; 2 - гнездовая рамка; 3 - магазинные рамки; 4- внутренняя обечайка ротора;
5 - вал ротора; 6 - спицы Рис. 1 - Расчетная схема центробежного агрегата для вытопки воска из рамок с восковым сырьем
Для нахождения силы F рассмотрим частицу воска, находящуюся в соте (рис.2).
Рис. 2 - Схема действия сил на частицу в соте во время вращения
Значение Fин будет зависеть от значения центробежной силы инерции Fцент. Выбрав инерционную систему ХОУ и спроецировав на неё все силы, получим [2]:
р _ Рцент _
т со К
,Н
(2)
XА - сумма работ всех сил, действующих на частицу, Дж.
Так как система движется из состояния покоя V0=0. Определим для этого спроецируем силы, действующие на частицу, на ось т.
где т - масса частицы воска, кг; ы - угловая скорость, рад/с; R - расстояние от центра вращения до частицы, м;
а - угол вылета воска из гнездовой рамки. Проведем кинематический анализ системы, а именно определим требуемую угловую скорость вращения внутренней обечайки ротора. Для этого применим теорему об изменении кинетической энергии движущейся материальной точки.
и=
т со Я
вша
-/•Ж
& =
т со Я
вша
-/ ' Щ
(4)
ка;
т V'
т V о
= ЪА
(3)
2 2
где V - скорость движения частицы воска, м/с;
Vо - начальная скорость движения частиц воска, м/с;
где / - коэффициент сцепления частиц вос-
g - ускорение сводного падения, м/с2;
^^ - элементарный путь, который проходит частица, м.
Реакция равна суммарному весу гнездовой и магазинных рамок.
N = 1)1^,^ (5)
Так как частица движется по окружности, определим значение dS:
а
dS — Я • ^ (6)
- элементарный угол вращения ротора. Тогда, подставив уравнения (5) и (6) в выражение (4), получим
Вестник РГАТУ, № 3 (27), 2015
ту'
С 2п т с Я
Бта
/ • mg ЯI dp
) 0
2п
(7)
ту1
2 тл2
т со Я Бта
- / • mg •Я
2п
(8)
Преобразуем выражение (8), приняв У — сЯ
тСяЯ = т с Я2 2 в1па
2п - / • mg • Я • 2п
сЯ2
2п 1
V
Бта
= / • g • 2пЯ
(9)
(10)
<;
с>
1
/ • g • 4п- &та
Я •( 4п- ?,та)
(11)
/7 т со'Я г г равн.=—;--/ -пщ
81П а
(14)
Приняв Р — Я , получим
2 п>2
гр т с Я г с 1 —--/ • mg • Я
Бта
(15)
(12), имеем
Р =
т со2Я'
-/■щ-я
(16)
[^•(4л--8та) окончательно получим требуемую мощность привода ротора центробежного агрегата для вытопки воска из рамок с восковым сырьем:
Проинтегрируем выражение (6), используя пределы интегрирования от 0 до 2п, так как обечайка проходит полный оборот по окружности
Р — 2т • Я •
с
Г ■ \ I-Т-:-(17)
Я -) • g^та п) • gslnа• 4 '
вша
)
'Я •( 4п-в1па)
Выразив из выражения (10) угловую скорость ш, получим кинематическое условие отделения воска.
Использовав выражение (11), можно получить требуемую мощность, необходимую для отделения воска от рамок.
Р — 1 с (12)
где 1 - требуемый вращающий момент ротора, Н*м
Приводим массу всех частиц воска к центру тяжести гнездовой рамки, получим:
Т=рравн.-р 'Н*м (13)
где Еравн. - равнодействующая всех сил, действующих в центре тяжести системы, Н;
р - расстояние от центра вращения до центра тяжести, м.
Подставим выражения (15) и (11) в уравнение
Установочную мощность привода ротора следует принимать с запасом на 10-15 %, так как в момент начала вращения ротора привод будет испытывать максимальную нагрузку; во время вращения она будет снижаться, потому что рамки будут очищаться от воскового сырья. Именно для начала вращения требуется прибавка в мощности привода, чтобы ротор с рамками наверняка провернулся. Такое увеличение дает запас мощности, необходимый при проектировании машин сельскохозяйственного назначения, и не только. Так как рамки с восковым сырьем имеют разную массу, и отклонение от средней массы во многих случаях происходит в большую сторону, необходимо фактическую мощность привода принимать больше теоретической на 15%.
Выводы
Решение многих проблем с развитием отрасли пчеловодства в нашей стране возможно лишь при применении на пасеках современных устройств для вытопки воска, который впоследствии идет для производства вощины. При ее достаточном количестве возможен значительный рост численности пчелиных семей, что избавит нашу страну от низкокачественного зарубежного воска. Процесс вытопки воска достаточно сложный и требует досконального теоретического исследования. В статье было приведено теоретическое исследование процесса отделения воскового сырья от рамок с восковым сырьем во время процесса вытопки воска и определена установочная мощность привода ротора. Это позволит вести дальнейшее проектирование и разработку конструкторской документации для создания лабораторного и опытно-производственного образцов центробежного агрегата для вытопки воска из рамок с восковым сырьем, а также может применяться при конструировании устройств подобного типа действия (медогонки, отделители воско-перговой массы и. т. д.).
Список литературы
1. Пат № 2528960 Российская федерация, МПК А01К 56/09. /Агрегат для вытопки воска В.Ф. Некрашевич, Н.Б. Нагаев, Т.В. Торженова, В.Д. Ли-пин, -№ 2013112090/13,опубл. 20.09.2014; Бюл № 26.
2. Воронков И.М., Курс теоретической механики(11-е издание). М.:Наука, 1964
3. Некрашевич В.Ф., Нагаев Н.Б./Тепловой баланс центробежного агрегата дл вытопки воска из пчелиных сотов АВВЦ 20/19 //Вестник РГАТУ
Технические науки
им. П.А. Костычева № 4(24) 2014,- стр. 124-128
4. Некрашевич В.Ф., Кирьянов Ю.Н. Механизация пчеловодства. - 2-е изд., перераб. и рас-шир. - Рязань, 2011. - 266 с.
5. Центробежный агрегат для вытопки воска из пчелиных сотов АВВЦ 20/19/Некрашевич В.Ф., Нагаев Н.Б., Торженова Т.В., Епифанцев Д.А., Ур-ляпов М.В.//, Пчеловодство № 2 2015 г., - стр. 5253, Москва, 2015
6. Изучение пластических и адгезионных свойств воска/ В.Ф. Некрашевич, Н.Б. Нагаев, Н.А.
Грунин //Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции, посвященной юбилею специальных кафедр инженерного факультета, Издательство Рязанского государственного агротехнологического университета, 2013. - стр. 54-58.
7. Оптимальный угол течения воска./ Некрашевич В.Ф., Нагаев Н.Б., Мамонов Р.А., Буренин К.В., Грунин Н.А., Епифанцев Д.А..// Пчеловодство № 10 2014г., стр. 45-48
WEORETICAL INVESTIGATION OF THE PROCESS OF SEPARATING WAX RAW MATERIAL FROM FRAMES WITH THE HELP OF CENTRIFUGAL FORCES
Nekrashevich Vladimir F., Professor of the Department of mechanization of animal husbandry, e-mail: MCX-RGATU@yandex.ru
Popov Andrew S., associate Professor of the Department of civil engineering structures and mechanics
Nagaev Nikolai B., graduate student of mechanization of animal husbandry, e-mail: nikolas_burdisso@ mail.ru
Ryazan State University Agrotechnological named P.A. Kostychev
Beekeeping is an integral part of agriculture. The dynamic development of the industry is possible only if a sufficient amount of wax produced for the production of honeycombs, but so far our country has to buy about 700 tons annually. The solution to this problem lies in a more complete removal of wax from wax raw materials in the process of sweat. This is possible only when applied to the apiaries of modern devices for wax melting out. To solve this problem was developed for melting out the wax unit of frames with a waxy feed which is capable of removing at consisting to 85-90% of the wax feedstock voskovitosti. The process of melting out the wax complex process consisting of several operations, namely loading frames in aggregate, from flash waxy feedstock within, separating wax raw materials from the scope of using centrifugal force otpressovka waxy feed in voskopresse, sweat wax process is rather complicated and requires a thorough theoretical study. The article gives a theoretical study of the separation of raw materials from the scope of wax with a waxy raw materials during melting out the wax and picked installed power drive centrifuge rotor assembly for melting out the wax, which is necessary for the further design and development of design documentation to create a laboratory and pilot-production samples of the unit. The research results can also be used in the design of devices of this type of action (radial extractor, isolating wax-mass and wax-ambrosia mass).
Key words: unit for sweat wax, wax separation of raw materials, wax, centrifuge.
Literatura
1.Pat. 2528960 Rossiyskaya Federaciya, MPK A 01 K 59/06. Agregat dlya vytopki voska [Tekst] / V.F. Nekrashevich, N.B. Nagaev, T.V. Torzhenova, V.D. Lipin; zayavitel' i patentoobladatel' Ryazanskiy gos. agrotekhnol. un-t. - № 2013112090/13; zayavl.18.03.13; opubl. 20.09.14, Byul. № 26. - 11 s. : il.
2.Voronkov, I.M. Kurs teoreticheskoy mekhaniki[Tekst]/I.M. Voronkov. -11-e izd. - M.: Nauka, 1964.
3.Nekrashevich V.F. Teplovoy balans centrobezhnogo agregata dlya vytopki voska iz pchelinykh sotov AVVC 20/19 [Tekst] / V.F. Nekrashevich, N.B. Nagaev // Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta imeni P.A. Kostycheva. - 2014. - № 4(24). - S.124-128.
4.Nekrashevich V.F. Mekhanizaciya pchelovodstva [Tekst]/V.F. Nekrashevich, Yu.N. Kiryanov. - 2-e izd., pererab. i rasshir. - Ryazan', 2011. - 266 s.
5Centrobezhny agregat dlya vytopki voska iz pchelinykh sotov AVVC 20/19 [Tekst] / V.F. Nekrashevich, N.B. Nagaev, T.V. Torzhenova, D.A. Epifancev, M.V. Urlyapov. //Pchelovodstvo. - 2015. - № 2. - s. 52-53.
6.Izuchenie plasticheskikh i adgezionnykh svoystv voska [Tekst] / V.F. Nekrashevich, N.B. Nagaev, N.A. Grunin // Sb. nauch. tr. - Ryazan': RGATU, 2013. - S. 54-58.
7.0ptimal'ny ugol techeniya voska [Tekst] /V.F. Nekrashevich, N.B. Nagaev, R.A. Mamonov, K.V. Burenin, N.A. Grunin, D.A. Epifancev//Pchelovodstvo. - 2014. - № 10. - S. 45-48.
-a»____'
