CC BY
11
УДК 631.3 В.В. Матюшев, В.О. Стенина,
И.А. Чаплыгина, А.А. Беляков
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОТОВОГО ПРОДУКТА
V.V. Matyushev, V.O. Stenina I.A. Chaplygina, A.A. Belyakov
THE INFLUENCE OF DESIGN PARAMETERS OF POTATOES TUBERS GRINDER OF ON TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF READY-MADE PRODUCT
Матюшев В.В. - д-р техн. наук, проф., зав. каф. товароведения и управления качеством продукции АПК Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: matyushe @yandex.ru
Стенина В.О. - асп. каф. товароведения и управления качеством продукции АПК Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: matyushe@yandex.ru Чаплыгина И.А. - канд. биол. наук, доц. каф. товароведения и управления качеством продукции АПК Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: ledum_palustre@mail.ru Беляков А.А. - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. отдела агротехнологий Красноярского НИИ сельского хозяйства ФИЦ КНЦ СО РАН, г. Красноярск. E-mail: belyakov@ksc.krasn .ru
Цель исследования - объяснение механизма взаимодействия и влияния комплекса конструктивных и режимных параметров установки по измельчению клубней картофеля на технологические характеристики готового продукта. Выполнена систематизация показателей работы установки по измельчению клубней картофеля: выделены управляющие, производные и результатные показатели ее функционирования. На основе разработанной и запатентованной конструкции измельчителя клубней картофеля и предварительного статистического анализа экспериментальных данных по ее функционированию выполнена систематизация показателей рабочего процесса. В качестве управляющих показателей обоснованы: частота вращения конусного вала, которая имеет среднее значение 215,086 мин-1 (при стандартном отклонении 25,711 мин-1), частота вращения измельчающего барабана - 380,104 мин-1 (при 39,011 мин-1), шаг установки ножей на измельчающем барабане - 51,6921 мм (при 14,9737 мм), угол наклона ножей на измельчающем барабане имеет среднее значение 7,6667 град. (при стандартном отклонении 6,8694 град.). В качестве результатных показателей выбраны: частота цикла обработки, которая характеризуется центром рассеивания 12,042 мин-1 (при стандартном отклонении 4,284 мин-1), производительность -
Matyushev V.V. - Dr. Techn. Sci., Prof., Head, Chair of Merchandizing and Product Quality Control in AIC, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk. E-mail: matyushe@yandex.ru
Stenina V.O. - Post-Graduate Student, Chair of Merchandizing and Product Quality Control in AIC, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk. E-mail: matyushe@yandex.ru
Chaplygina I.A. - Cand. Biol. Sci., Assoc. Prof., Chair of Merchandizing and Product Quality Control in AIC, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk. E-mail: ledum_palustre@mail.ru Belyakov A.A. - Cand. Techn. Sci., Leading Staff Scientist, Department of Agrotechnologies, Krasnoyarsk Research and Development Institute of Agriculture, FRC KRC, SB RAS, Krasnoyarsk. E-mail: belyakov @ksc.krasn.ru
795,3508 кг/ч (при 290,8860 кг/ч), удельные энергетические затраты на привод конусного вала -0,5087 Вт-ч/кг (при 0,2075 Вт ч/кг), удельные энергетические затраты на привод измельчающего барабана 0,4334 Вт ч/кг (при 0,1571 Вт ч/кг), толщина картофельных ломтиков имеет среднее значение 5,0244 мм (при стандартном отклонении 0,6413 мм). Предложенный аналитический подход объясняет механизм взаимодействия и влияния частоты вращения конусного вала и измельчающего барабана, шага и угла наклона ножей барабана установки по измельчению картофеля на изменения частоты технологического цикла обработки сырья, производительность и удельные энергетические затраты оборудования, а также на величину толщины готовых картофельных ломтиков. Методика расчета может быть использована в прогностических целях, поскольку относительная погрешность приближения по всем пяти представленным зависимостям (функциям) не превосходит 6,72 %, а степень детерминированности для каждой - выше 95,10 %.
Ключевые слова: измельчение, сырье, картофель, установка, ножи, частота вращения, шаг, угол, производительность, удельные энергетические затраты.
The research objective was the explanation of the mechanism of interaction and the influence of the complex of constructive and regime parameters of the unit on crushing of tubers of potatoes on technical characteristics on a ready-made product. The systematization of indicators of the work of installation on crushing of tubers of potatoes is executed: directing, derivatives and resulting indicators of its functioning are allocated. On the basis of developed and patented design of the grinder of tubers of potatoes and preliminary statistical analysis of experimental data on its functioning systematization of indicators of working process was executed. As operating indicators served the frequency of rotation of conical shaft which had average value of 215.086 min.-1 (at a standard deviation of 25.711 min.-1), the frequency of rotation of the crushing drum - 380.104 min.-1 (at 39.011 min.-1), the step of installation of knives on crushing drum -51.6921 mm (at 14.9737 mm), tilt angle of knives on the crushing drum has average value 7.6667 degrees (at standard deviation 6.8694 degrees). As resulting operation cycle frequency characterized by the center of dispersion of 12.042 min.-1 (at a standard deviation of 4.284 min.-1), the productivity - 795.3508 kg/h (at 290,8860 kg/h), specific power costs of the drive of conical shaft - 0.5087 W*h/kg (at 0.2075 W*h/kg), specific power costs of the drive of the crushing W*h/kg reel 0.4334 (at 0,1571 W*h/kg), thickness of potato slices had average value of 5.0244 mm (at standard deviation of 0.6413 mm) were chosen. Offered analytical approach explained the mechanism of interaction and influence of frequency of rotation of conical shaft and crushing drum, step and tilt angle of knives of the drum of installation on crushing of potatoes on changes of frequency of production cycle of processing of raw materials, the productivity and specific power expenses of the equipment, and also at the size of thickness of ready potato slices. The calculation procedure can be used in predictive purposes as relative error of approach does not exceed 6.72 % in all five presented dependences (functions), and determinacy degree for everyone it is higher than 95.10 %.
Keywords: crushing, raw materials, potatoes, installation, knives, rotation frequency, step, corner, productivity, specific power expenses.
Введение. Важным фактором устойчивого развития животноводства является наличие достаточной сырьевой базы, ресурсосберегающих машин и оборудования. Измельчение клубнеплодов является системным многофункциональным энергоемким процессом, на который влияют конструктивные особенности применяемого оборудования и физико-механические свойства исходного сырья. В Красноярском крае районировано большое количество сор-
тов картофеля, которые возделываются практически во всех сельскохозяйственных организациях. Кроме того, клубни картофеля богаты микроэлементами и витаминами. Использование картофельных ломтиков в качестве составляющего компонента в кормовых смесях становится актуальным при совершенствовании конструкции измельчителя клубней картофеля, которое обеспечивает эффективное регулирование и выбор оптимальных энергетических и конструктивно-технологических параметров, режимов эксплуатации, что, в свою очередь, способствует повышению производительности установки и качества готовой продукции.
Цель исследования: объяснение механизма взаимодействия и влияния комплекса конструктивных и режимных параметров установки по измельчению клубней картофеля на технологические характеристики готового продукта.
Задачи исследования: выявить закономерности изменения производительности и удельной энергоемкости процесса измельчения клубней картофеля в зависимости от конструктивных, технологических и режимных параметров функционирования установки.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе анализа отечественных и зарубежных научно-практических работ [1-9]. Выполнена систематизация показателей функционирования установки по измельчению клубней картофеля: выделены управляющие, производные и результатные показатели функционирования данной установки.
Значения управляющих показателей. Частота вращения конусного вала Ц, Гц) и измельчающего
барабана ц, Гц), шаг установки (И, мм) и угол
наклона ножей на измельчающем барабане относительно горизонтальной оси (а, град.) систематизированы в соответствии с планом эксперимента.
Значения результатных показателей. Частота цикла обработки (®, Гц), производительность
(б, кг/ч), удельные энергозатраты на приводы конусного вала (е, Вт-ч/кг) и измельчающего барабана (е , Вт-ч/кг), толщины клубней картофеля (4 мм) обработаны в ходе 24 серий экспериментов
(по 30 опытов в каждой серии).
Мощность, подаваемая на приводы конусного вала (р, вт) и измельчающего барабана (р, вт)
установки, вычислена исходя из силы тока, соответственно, подаваемой на приводы конусного вала (р, а) и измельчающего барабана (р, а) по формулам
Pk ~\h; Pb ,
где Xk = Uk yf3 cos pk, \ = UbJ3 cos (pb -
коэффициенты преобразования силы тока в мощность, определяемые для технического устройства; напряжение = U6 = 380 Ом.
Частота цикла измельчения (©, Гц) обратна продолжительности технологического цикла (t, с) :
(0 =
Продолжительность технологического цикла, измеренная в часах (г, ч), пересчитана исходя из продолжительности технологического цикла в секундах (/, с) по формуле
1
3600
Производительность разработанной установки (2, кг/ ч) рассчитана исходя из массы (т, кг/ ч) загружаемого в установку сырья и продолжительности технологического процесса (г, ч) по формуле
m
Q = -
Т
Удельные энергетические затраты на приводы конусного вала (Еъ, Вт-ч/кг) и измельчающего барабана (Е, Вт -ч/кг) установки вычислены исходя из массы обрабатываемого сырья (т, кг/ч), а также потребляемой мощности, соответственно, на приводы конусного вала (р, Вт) и измельчающего
барабана (р, Вт) по формулам
P P
F -PL- F - P
Ek = ; Eb = m m
Дополнительно определены и рассчитаны коэффициенты сопряжения по частоте и мощности:
œb Pb
Уа =—; Tp = ir
Перевод частоты вращения конусного вала (ак, Гц) в техническую частоту вращения конусного вала Ок , мин-1 осуществляется по формуле
Qk =ак-аУук>
где ак= 14,374 603 62, ук = 1,215 820 497 -коэффициенты перевода.
Перевод частоты вращения барабана (аъ, Гц)
в техническую частоту вращения барабана Оь, мин-1, выполняется по формуле
где аь= 14,484 091 42, уь= 1,015 072 85 -
коэффициенты перевода.
Результаты корреляционно-регрессионного анализа данных оценены по значению коэффициентов корреляции Пирсона и детерминации используемой для определения доли объясненной вариации. Все выборки показателей соответствуют нормальному распределению согласно критерию Шапиро - Уилка. Оценка значимости различий средних значений проведена с использованием t-критерия Стьюдента и U-критерия Манна - Уитни, соответственно для нормально и ненормально распределенных данных. Проверка на наличие автокорреляции остатков зависимостей выполнена с использованием критерия Дарбина - Уотсона. Значимость коэффициентов регрессии установлена по t-критерию Стьюдента на уровне 0,05, а адекватность модели - по F-критерию Фишера с использованием подпакета Statistics пакета Maple. Зависимости детерминированы на 95,10 % (Coefficient of Multiple Détermination), относительная погрешность сглаживания экспериментальных данных не превосходит 6,72 % (% Error) [1-6, 9].
Результаты исследования и их обсуждение. Исследование влияния конструктивных параметров установки по измельчению клубней картофеля на технологические показатели выполнено согласно программе исследований, включающей анализ результатов предварительной статистической обработки по адаптированному плану эксперимента и поиск закономерностей. По данному плану частота вращения конусного вала имеет среднее значение 14,266 7 Гц (при стандартном отклонении 1,760 1), частота вращения измельчающего барабана - 25,000 Гц (при 2,654 0), шаг размещения ножей на барабане - 51,692 1 мм (при 14,973 7), угол наклона ножей барабана имеет среднее значение 7,666 7 град (при стандартном отклонении 6,869 4).
т
Расчеты по 24 сериям экспериментов показали, что ние 5,024 4 мм (при стандартном отклонении частота цикла обработки характеризуется центром 0,641 3).
рассеивания 0,2007 Гц (при стандартном отклонении Согласно программе исследования, подобран 0,071 4), производительность - 795,350 8 кг/ч (при общий вид аналитических функций, представляю-290,886 0), удельные энергетические затраты на щих основные закономерности функционирования привод конусного вала - 0,508 7 Вт • ч/кг (при 0,207 5), установки для измельчения клубней картофеля и удельные энергетические затраты на привод измель- целевые показатели технологического совершен-чающего барабана - 0,433 4 Вт • ч/кг (при 0,157 1), тол- ства, обеспечивающих единство объекта исследо-щина картофельных ломтиков имеет среднее значе- ваний по принципу подобия процессов.
Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на частоту технологического цикла обработки. Частота технологического цикла измельчения картофеля в зависимости от щ, Гц; щ, Гц; к, мм; а, град. представляется следующей функцией:
т(тк, щ, К а) = скМ-щаьк + скЬа-ткща + съьа-(ька + + СЬк(ьк + СкЬ(к (ь + скк(кк,
где с =-2 035 696 077• 10-5■ с = 1116 314 117• 105■ - коэффициенты взаимодействия показателей, зна-
д кьк ' ; кьа ' ;
чения которых вычислены с использованием ком-Съиа =-6,591 868 593 • 106; см = 0,000 377 417 304 5; пьютерного пакета регрессионного анализа.
с.. =-5,503 702 738-10-5; с.. = 0,000 194 728 519 6
кь 5 ' кк 5
Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на производительность установки. Производительность установки по измельчению картофеля О, кг/ч, в зависимости от щ, Гц; щ, Гц; к, мм; а, град. представляется следующей функцией:
О ((, (, к а) = скьк щк щьк + скьащк ( а + ськ ащька + + ськ (ьк + скь (к (ь + скк (кк,
где с =-0 101 246 219 1; с = 0 043 729 850 73 ^ коэффициенты взаимодействия показателей, значе-кьк кьа ' ния которых вычислены с использованием компью-
ська =-0,026 366 121 99; ськ = 1,658 303 197; терного пакета регрессионного анализа.
-ьк
скЪ = -0,198 938 480 8; си = 0,993 876 046 2
Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на удельные энергетические затраты на привод конусного вала. Удельные энергетические затраты Ек, Втч/кг, на
привод конусного вала установки в зависимости от (к, Гц; (Оь, Гц; к, мм; a, град- представляется следующей функцией:
Ек ((к, (ь, к, а) = скьк (к (ьк + скьа(к (ь а+ ськ а(ька + + ськ (ьк + скь (к ( + скк (кк,
гдес =-4 733 501 763• 10-5 ■ с = 4 935 183 082-10-5 ния которых вычислены с использованием компью-
кьк ^ ' кь а ^
терного пакета регрессионного анализа.
; с.. = -5,286 487 83340-6; с.. =-0,000 222 374 700 9
' ьк а 5 ' ьк '
; сн = 0,002 537 992 819; см = 0,000 918 439 517 8 -коэффициенты взаимодействия показателей, значе-
Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на удельные энергетические затраты на привод измельчающего барабана. Удельные энергетические затраты Еь, Вт-ч/кг, на привод измельчающего барабана установки в зависимости от щ, Гц; щ, Гц; И, мм; а, град. представляется следующей функцией:
ЕЬ (Щк, щ, И а) = СкЬИ Щк ЩЬИ + СкЬ аЩк щ а + СЬИ аЩЪИа + + СЬИ ЩЬИ + СкЬ Щк Щ + СкИ ЩкИ,
где С =-2 604 976 817 - 10-5 ■ с = 1 504 591 188 • 10 5 ■ ния которых вычислены с использованием компью-
кЬИ ' ' кЬ а ' '
е.. = 2,676 668 327-10"6; е.. =-0,000 155 311 958 1;
bh а ' ' bh 5 '
ен = 0,002 258 187 066; ем = 0,000 323 471 427 3 -коэффициенты взаимодействия показателей, значе-
терного пакета регрессионного анализа.
s,
Ebj - К = Ebj - Eb , %, h, а)
Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на толщину картофельных ломтиков. Толщина d, мм, картофельных ломтиков в зависимости от Щ, Гц; щ, Гц;
И, мм; а, град. представляется следующей функцией:
d (Щ, Щ, И, а) = СкЬИ Щк ЩЬИ + СкЬаЩк ЩЬ а + СЬ И аЩЬИа + + СЬИ ЩЬИ + СкЬ Щк ЩЬ + СкИ ЩкИ,
где СЬИ =3,275 438 325-10-5; С№а =0,001 068 848 495 ■ с№я =-0,000 405 158 923 7 ■ С№ =0,0134 430 263 2; Са =-0,023 523 743 29 ■ ^ =-0,002 898 066 739 -коэффициенты взаимодействия показателей, значения которых вычислены с использованием компьютерного пакета регрессионного анализа.
Выводы. На основе разработанной и запатентованной конструкции измельчителя клубней картофеля и предварительного статистического анализа экспериментальных данных по ее функционированию выполнена систематизация показателей рабочего процесса. В качестве управляющих показателей обоснованы: частота вращения конусного вала, которая имеет среднее значение 215,086 мин-1 (при стандартном отклонении 25,711 мин-1), частота вращения барабана - 380,104 мин-1 (при 39,011 мин-1), шаг установки ножей на измельчающем барабане - 51,692 1 мм (при 14,973 7 мм), угол наклона ножей на измельчающем барабане имеет среднее значение 7,666 7 (при стандартном отклонении 6,869 4 град.). В качестве результатных показателей выбраны: частота цикла обработки, которая характеризуется центром рассеивания 12,042 мин-1 (при стандартном отклонении 4,284 мин-1), производительность - 795,350 8 кг/ч (при 290,886 кг/ч), удельные энергетические затраты на привод конусного вала - 0,508 7 Вт -ч/кг (при 0,207 5 Вт -ч/кг), удельные энергетические за-
траты на привод измельчающего барабана
0.4334.Вт • ч/кг (при 0,1571 Вт • ч/кг), толщина картофельных ломтиков имеет среднее значение 5,024 4 мм (при стандартном отклонении 0,641 3 мм).
Предложенный аналитический подход объясняет механизм взаимодействия и влияния частоты вращения конусного вала, частоты вращения измельчающего барабана, шага и угла наклона ножей барабана установки по измельчению картофеля на изменения частоты технологического цикла обработки сырья, производительность и удельные энергетические затраты установки, а также на величину толщины готовых картофельных ломтиков. Методика расчета может быть использована в прогностических целях, поскольку относительная погрешность приближения по всем пяти представленным зависимостям (функциям) не превосходит 6,72 %, а степень детерминированности для каждой - выше 95,10 %.
Литература
1. Draper, Norman R. and Smith, Harry. Applied Regression Analysis. - New York: Wiley, 1998.-3rd ed.
2. Montgomery, Douglas C. Introduction to Statistical Quality Control. - 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.
3. Stuart, Alan, and Ord, Keith. Kendall's Advanced Theory of Statistics. Distribution Theory. - London: Edward Arnold, 1998. - 6th ed. - Vol. 1.
4. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика для инженеров и научных работников. -М.: Физматлит, 2012. - 816 с.
5. Компьютерные технологии при проектировании и эксплуатации технологического оборудования: учеб. пособие / Г.В. Алексеев, И.И. Бри-денко, В.А. Головацкий [и др.]. - СПб.: ГИОРД, 2012. - 256 с.
6. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1981. - 448 с.
7. Неверов Д.А. Сравнительная характеристика различных типов картофелесортировальных машин // Проблемы и перспективы развития сельского хозяйства России: мат-лы всерос. науч.-практ. конф. - Саратов: Изд-во Саратов. ГАУ, 2008.
8. Пат. № 174584 Российская Федерация, МПК A01F 29/00. Измельчитель корнеклубнеплодов / Чаплыгина И.А., Матюшев В.В., Семёнов А.В., Стенина В.О.; Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Красноярский ГАУ». - № 2016121327; заявл. 30.05.2016; опубл. 23.10.2017.
9. Численные методы при моделировании технологических машин и оборудования: учеб. пособие / Г.В. Алексеев, Б.А. Вороненко, М.В. Гончаров [и др.]. - СПб.: ГИОРД, 2014. - 200 с.
Literatura
1. Draper, Norman R. and Smith, Harry. Applied Regression Analysis. - New York: Wiley, 1998.— 3rd ed.
2. Montgomery, Douglas C. Introduction to Statistical Quality Control. — 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.
3. Stuart, Alan, and Ord, Keith. Kendall's Advanced Theory of Statistics. Distribution Theory. — London: Edward Arnold, 1998. — 6th ed. — Vol. 1.
4. Kobzaf A.I. Prikladnaja matematicheskaja statisti-ka dlja inzhenerov i nauchnyh rabotnikov. — M.: Fizmatlit, 2012. — 816 s.
5. Komp'juternye tehnologii pri proektirovanii i jek-spluatacii tehnologicheskogo oborudovanija: ucheb. posobie / G.V. Alekseev, I.I. Bridenko, V.A. Golovackij [i dr.]. — SPb.: GIORD, 2012. — 256 s.
6. Moiseev N.N. Matematicheskie zadachi sistem-nogo analiza. — M.: Nauka, 1981. — 448 s.
7. Neverov D.A. Sravnitel'naja harakteristika razlich-nyh tipov kartofelesortiroval'nyh mashin // Prob-lemy i perspektivy razvitija sel'skogo hozjajstva Rossii: mat-ly vseros. nauch.-prakt. konf. — Saratov: Izd-vo Saratov. GAU, 2008.
8. Patent № 174584 Rossijskaja Federacija, MPK A01F 29/00. Izmel'chitel' korneklubneplodov / Chaplygina I.A., Matjushev V.V., Semjonov A.V., Stenina V.O.; Zajavitel' i patentoobladatel' FGOU VPO «Krasnojarskij GAU». — № 2016121327; zajavl. 30.05.2016; opubl. 23.10.2017.
9. Chislennye metody pri modelirovanii tehnolog-icheskih mashin i oborudovanija: ucheb. posobie / G.V. Alekseev, B.A. Voronenko, M.V. Goncharov [i dr.]. — SPb.: GIORD, 2014. — 200 s.
