На правах рукописи - Сибирское отделение аграрной науки

На правах рукописи
ГНЕЗДИЛОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ СУХОЙ ОЧИСТКИ ТОВАРНЫХ ЯИЦ
В ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск 2009
2
Работа выполнена на кафедре «Механизация животноводства»
ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Научный руководитель:
Почетный работник науки и
техники РФ, доктор технических
наук, профессор
Федоренко Иван Ярославович
Официальные оппоненты: доктор
технических
наук,
профессор
Петухов Николай Александрович;
кандидат технических наук, доцент
Дрюк Виктор Андреевич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Омский государственный
аграрный университет»
Защита диссертации состоится «24» апреля 2009 г. в 10 часов на
заседании
диссертационного
совета
ДМ
006.059.01
при
Государственном научном учреждении «Сибирский научноисследовательский институт механизации и электрификации
сельского
хозяйства»
СО Россельхозакадемии по адресу: г. Новосибирск, ул. Добролюбова,
160, ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный
университет».
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах), заверенный
гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного
совета: 630501, п. Краснообск-1, а/я 460, Новосибирский район,
Новосибирская область.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ
СибИМЭ СО Россельхозакадемии.
Автореферат разослан «18» марта 2009 г.
Ученый секретарь
3
диссертационного совета
В.С. Нестяк
4
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. По химическому составу куриное яйцо
является для человека ценным, экологически чистым диетическим
продуктом. Оно содержит все необходимые для жизни витамины и
микроэлементы, находящиеся в нем в оптимальной пропорции.
Поэтому потребление людьми яиц очень велико. Увеличение
производства яиц ведет к необходимости улучшения их качества.
Одним из главных показателей качества яиц является чистота
скорлупы. Ее загрязненность не только снижает товарный вид, но и
является основной причиной бактериальной зараженности и быстрой
порчи яиц. К тому же, согласно российским техническим условиям,
свежие яйца, имеющие загрязнение скорлупы выше нормы,
направляют на промышленную переработку и в сети общественного
питания. Это наносит большой экономический ущерб предприятиям,
производящим товарное яйцо.
Для очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений в
настоящее время применяются моечные машины, отличающиеся по
принципу действия, производительности и качеству работы. В
процессе мойки водный моющий раствор, являясь своего рода
транспортным средством, доставляет вредную микрофлору с
поверхности яйца внутрь и полностью смывает защитную восковую
оболочку, покрывающую скорлупу, что резко снижает сроки хранения
товарных яиц.
Несмотря на явные преимущества сухой очистки, машины,
работающие
по
такому
принципу,
из-за
конструктивнотехнологического несовершенства пока не могут составить
конкуренцию яйцемоечным аналогам.
Применение широко используемого в различных отраслях
промышленности и сельского хозяйства виброкипящего слоя
позволяет вывести машины для сухой очистки на принципиально
новый технический уровень.
Цель исследований – повышение эффективности очистки
скорлупы товарных яиц от загрязнений посредством применения
виброкипящего слоя абразивного материала.
Объект исследований – процесс сухой очистки скорлупы
товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала.
Предмет исследований – явления и закономерности,
возникающие в процессе сухой очистки скорлупы товарных яиц в
виброкипящем слое абразивного материала.
5
Методы исследований – структурный анализ; математическое
моделирование; отсеивающий и основной эксперименты, их
планирование.
Научная гипотеза заключается в том, что эффективность
очистки скорлупы товарных яиц можно повысить путем
использования виброкипящего слоя абразивного материала.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель процесса сухой
очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений вибрирующими
абразивными частицами на основе уравнений теории резания
металлов, учитывающая особенности виброкипящего слоя и
длительность виброобработки.
2. Предложены способ и устройство для измерения
эффективной вязкости сыпучих материалов (патент РФ № 2267770),
находящихся под воздействием вибрации.
3. Получена регрессионная модель процесса сухой очистки
скорлупы яиц, подтверждающая теоретическую модель и
позволяющая обосновать кинематические режимы виброобработки.
Практическая значимость работы определяется:
1) возможностью использования разработанных технических
решений по сухой очистке товарных яиц от загрязнений на
яйцескладах птицефабрик, в цехах переработки яиц, на кондитерских
фабриках и на базах общественного питания;
2) применением предлагаемой математической модели
поведения
виброкипящего
слоя
сыпучего
материала
для
совершенствования технологического оборудования сухой очистки
товарных яиц от загрязнений и его рабочих органов.
Реализация результатов исследований. В результате
проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и
технологических работ:
1) в ООО «Птицефабрика «Комсомольская» Павловского
района Алтайского края внедрен экспериментальный образец машины
для сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое абразивного
материала;
2) в ООО ИТЦ «Алтайвибромаш» г. Барнаула внедрена
конструкторская документация по машине для сухой очистки яиц,
изготовлен и апробирован экспериментальный образец предлагаемой
машины.
Апробация работы. Результаты научных исследований были
доложены и одобрены:
6
1) в
ГНУ
СибИМЭ
СО
Россельхозакадемии
на
Международной научно-практической конференции «Машиннотехнологическое,
энергетическое
и
сервисное
обеспечение
сельхозтоваропроизводителей Сибири», посвященной 100-летию со
дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (2008 г.);
2) на проводимых в Алтайском ГАУ научно-практических
конференциях в 2002-2008 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы в период ее
выполнения опубликовано 5 печатных работ и получено 2 патента РФ
на изобретения, в том числе одна статья в издании по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит список
основных обозначений и сокращений, введение, пять глав, общие
выводы и 7 приложений. Работа изложена на 170 страницах
машинописного текста, содержащих 33 рисунка и 17 таблиц.
Библиографический список включает в себя 101 литературный
источник.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и показана
практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрены вопросы строения, пищевой
ценности и товарного качества куриных яиц, проведен обзор
существующих способов и машин для сухой очистки товарных яиц.
Содержимое яйца защищено от механических воздействий
скорлупой, которая регулирует испарение влаги и газообмен. Снаружи
скорлупа покрыта тонкой матовой оболочкой (кутикулой),
проницаемой для газов и непроницаемой для микроорганизмов.
Кутикула легко смывается водой. Ее удаление ускоряет процесс
старения и порчу яйца.
Одними из важнейших показателей, характеризующих товарное
качество яиц, являются их масса и чистота скорлупы, от которых
зависит цена реализации.
Товарное качество яиц оценивают как органолептическими
(чаще визуальными), так и биофизическими методами.
Различают два способа удаления загрязнений с поверхности
скорлупы – мойка водой или специальными водными моющими
растворами и сухая очистка. Мойка товарных яиц приводит к
снижению срока их хранения, так как полностью смывается защитная
восковая оболочка. При сухой очистке кутикула стирается с
7
поверхности скорлупы, но остается в порах, предотвращая
проникновение вредной микрофлоры внутрь яйца. Поэтому
предпочтительной является сухая очистка. Проведенный обзор
существующих устройств и машин, работающих по такому способу,
показал наличие у них целого ряда существенных недостатков,
ограничивающих их применение.
Внедрение виброкипящего слоя абразивного материала в
процесс сухой очистки позволяет не только устранить имеющиеся
недостатки известных устройств и интенсифицировать сам процесс, но
и широкие технологические возможности в сочетании с высокой
производительностью ставят его в число наиболее актуальных и
перспективных способов товарной обработки яиц.
На основе проведенного обзора поставлены следующие задачи
исследований:
1. Разработать математическую модель процесса сухой очистки
скорлупы товарных яиц от загрязнений вибрирующими абразивными
частицами, учитывающую особенности виброкипящего слоя и
длительность виброобработки.
2. Предложить способ и устройство для измерения
эффективной вязкости сыпучих материалов виброкипящего слоя.
3. Обосновать конструктивные параметры и режимы работы
устройства для сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений.
4. Выполнить технико-экономическую оценку устройства для
сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений.
Во второй главе приводится описание виброкипящего слоя, его
свойств и возможностей использования для сухой очистки яиц,
теоретически определен съем загрязнения одной абразивной частицей
и с единицы поверхности скорлупы в единицу времени.
Обычно выделяют три динамических состояния (режима)
сыпучего
материала
при
вибрации:
покой,
правильные
циркуляционные движения и стохастические циркуляционные
движения.
Покой сыпучего тела имеет место при ускорениях вибрации
ниже ускорения свободного падения. При этом материал переходит в
состояние псевдоожижения и уплотняется.
Два других режима наблюдаются при ускорениях вибрации
выше ускорения свободного падения. Сыпучая среда переходит в
состояние виброкипения. Правильные циркуляционные движения
материала проявляются при первом критическом значении
коэффициента перегрузки. Движение частиц происходит по
8
определенным траекториям. Стохастические циркуляционные
движения проявляются при втором критическом значении
коэффициента перегрузки. Траектории движения частиц заранее
неизвестны. Сыпучий материал сильно разрыхляется и интенсивно
перемешивается. Поэтому процесс сухой очистки яиц лучше всего
вести на третьем динамическом режиме вибрации.
Виброкипящий слой сыпучего материала может быть создан:
1) чисто вибрационным воздействием;
2) вибрационным воздействием в сочетании с фильтрацией
газа через рабочую среду;
3) действием вибрации в вакууме;
4) совместным действием вибрации и применением
поверхностно-активных веществ.
Для создания виброкипящего слоя процесса сухой очистки яиц
применено чисто вибрационное воздействие, исключающее
установку дополнительного источника энергии.
Из основных свойств виброкипящего слоя, которые необходимо
учитывать при проектировании машин для сухой очистки яиц, можно
выделить
следующие:
пористость,
эффективная
вязкость,
распространение механических колебаний, насосный эффект,
самонагрев, перемешивание материала, статическая электризация и
самоистирание.
Абразивные частицы, увлекаемые потоком виброкипящего
материала, при сухой очистке совершают сложные движения,
соударяясь между собой и с поверхностью скорлупы яйца. Таким
образом, основу динамики процесса виброобработки яиц составляет
ударное взаимодействие абразивных частиц с поверхностью
скорлупы, схема которого представлена на рисунке 1.
9
V1 Y
Y
V1
V1 Z C 1
V1 X

2

1
C
’

1
2
C 2 
V2 Y
V2
V
2X
V2 Z
X
O
Z
Рис. 1. Схема взаимодействия абразивной частицы
с поверхностью скорлупы
Скорости яйца и частицы до удара и после соответственно
определятся согласно следующим выражениям:
V Я  V 1  1  1 ,
(1)
V  Я  V 1   1  1 ;
(2)
V Ч V 2 2 2 ,
(3)
V Ч  V  2    2  2 ,
(4)
где V 1 , V 1 , V 2 и V 2 – вектор скорости центра масс до удара и после
соответственно яйца и частицы;
 1 ,  1 ,  2 и 2 – вектор угловой скорости до удара и после
соответственно яйца и частицы;
 1 и  2 – радиус-вектор, характеризующий расстояние от центра
масс соответственно яйца и частицы до точки удара С΄.
Согласно теореме импульсов, уравнение изменения скорости
центра масс механической системы при ударе




m Я V Я  V  Я  mЧ V Ч  V Ч  S E  S J ,
(5)
где mЯ и mЧ – масса соответственно яйца и абразивной частицы, кг;
SE и SJ – соответственно внешний и внутренний ударные
импульсы, Н·с.
Векторному уравнению (5), с учетом выполненных
преобразований, соответствуют три уравнения в проекциях на оси
координат:
10
m Я V1x  V1x   y1 1z  1z   z1 1 y  1y  

 mЧ V2 x  V2x   y 2  2 z   2 z   z 2  2 y   2 y   0;
m V  V    x       z      
1y
1
1z
1z
1
1x
1x
 Я 1y











m
V

V

x




z

2y
2
2z
2z
2
2 x   2 x   0;
 Ч 2y
m V  V    y       x      
1z
1
1z
1z
1
1y
1y
 Я 1z
 mЧ V2 z  V2z   y 2  2 z   2 z   x2  2 y   2 y   0.
(6)
Приняты ограничения:
1. Движение абразивной частицы и яйца осуществляется в
одной плоскости.
2. Угловое вращение рассматриваемых тел в результате удара
происходит за счет момента, создаваемого силой трения, которым
можно пренебречь ввиду его малости.
Система уравнение (6) после введенных ограничений принимает
следующий вид:
mЯ V1x  V1x   mЧ V2 x  V2x   0;
(7)

mЯ V1 y  V1y   mЧ V2 y  V2y   0.
Разложив импульс силы внутреннего удара тел, приложенный в
точке соударения С  , на нормальную S x и касательную S y
составляющие, введя коэффициент восстановления k и коэффициент
мгновенного трения при ударе λ, получаем новую систему уравнений:
m Я mЧ

S x  1  k   m  m  V2 x  V1x ;

Я
Ч

S  1  k   m Я mЧ  1     V  V .
y
2y
1y
m Я  mЧ
k

(8)
Система уравнений (8) позволяет определить нормальную и
касательную составляющие силы удара:
2 S x
(9)
P 
N
T
и
Pk 
S y
T
,
(10)
где РN и Рk – нормальная и касательная составляющие силы удара
соответственно, Н;
S x и S y – нормальная и касательная составляющие импульса
силы удара соответственно, Н·с;
∆Т – время соударения, с.
В результате виброабразивной обработки яйца частицы
осуществляют массовое царапание поверхности скорлупы, которое
11
сопровождается снятием некоторого количества стружки. Для
изучения динамики данного процесса была применена известная
теория резания-царапания металлов.
При поступательном движении абразивной частицы на нее
действует сила резания Рр, которую можно разложить на нормальную
PN и касательную Pk составляющие (рис. 2). Нормальная сила РN
прижимает абразивную частицу к обрабатываемой поверхности, с
которой касательная сила Рk срезает стружку.

Pk
V÷
90
Å
-

N
 
Pp
PN
x
Fò ð À
a


Â
Рис. 2. Схема сил, действующих на абразивную частицу
при резании-царапании
Исходя из условия равновесия сил, нормальная и касательная
силы резания соответственно равны
(11)
PN  N  sin   f  cos   ;
Pk  N  cos   f  sin   ,
(12)
где N – нормальная реакция обрабатываемого материала от
воздействия частицы, Н;
γ – передний угол резания частицы (γ = -33˚), град;
f – коэффициент трения частицы об обрабатываемый материал.
Нормальная реакция, входящая в эти формулы, может быть
определена из условия прочности материала на срез при
проецировании всех сил, действующих в материале, на плоскость
среза m-m и на плоскость, ей нормальную (рис. 3).
12
N
x



N'


Sm
V÷

a
m
 


Fò ð 2
N ''
Fò ð 1
m
Fò ð
Qm
Рис. 3. Схема сил, действующих в материале
при резании-царапании
После преобразований выражение для расчета нормальной
реакции при резании примет вид
S  S
,
(13)
N
1  f  f   cos      f  f   sin      sin 
где S – площадь поперечного сечения канавки царапины, м2;
τS – касательное напряжение среза, Па;
θ – угол среза, град;
f  – коэффициент внутреннего трения в плоскости среза.
Учитывая выражение (13), формулы (11) и (12) запишутся следующим
образом:
S  S  sin   f  cos  
;
(14)
PN 
1  f  f   cos      f  f   sin      sin 
Pk 
S  S  cos   f  sin  
.
1  f  f   cos      f  f   sin      sin 
(15)
Как известно из теории резания металлов, средняя масса
стружки, снятой одной абразивной частицей, рассчитывается по
формуле
qч 
S  lср
3
,
(16)
где qч – масса единичного среза, кг;
S – площадь поперечного сечения среза, м2;
lср – длина среза, м;
δ – удельная масса обрабатываемого материала, кг3 .
м
13
Опуская промежуточные вычисления, формула (16) приводится
к виду
PN2  T 2  k m я  m 1  f  f cos      f  f sin      sin  ,
(17)
qч 
3u1  k 1   m я  mч  s cos   f  cos  
где u – коэффициент, учитывающий отношение нормальной
составляющей силы резания к касательной.
С учетом выражения (17) съем загрязнения с поверхности
скорлупы определится по формуле
Qco  qч  n уд  sсл   ср   ,
(18)
ч
где Qсо – масса загрязнений, снимаемых с единицы поверхности
скорлупы в единицу времени (теоретическая эффективность
очистки), кг ;
с  м2
nуд – число ударов одной абразивной частицы в единицу времени,
1;
с
sсл – количество следов частиц на единице поверхности,
1
м2
;
Δср – коэффициент затухания силового импульса по высоте
виброкипящего слоя (коэффициент демпфирования);
ξ – коэффициент силового воздействия по радиусу виброемкости.
В окончательном виде формула (18) запишется в следующем
виде:
Qco 
4,32qч     ср   ,
  b2
(19)
где ω – частота вибраций, 1 ;
с
b – ширина царапины, м.
Коэффициенты Δср и ξ устанавливаются опытным путем при
помощи приспособления для измерения силового воздействия на яйцо.
В третьей главе представлены программа и методика
экспериментальных исследований по измерению эффективной
вязкости дисперсных систем, по определению усилия, действующего
на яйцо в различных зонах виброкипящего слоя, процесса сухой
очистки товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала,
методика математической обработки результатов эксперимента,
описание экспериментальной установки и ее работы.
Предварительные исследования показали, что процесс сухой
очистки товарных яиц в виброкипящем слое зависит от 9 основных
14
факторов.
Отсеивающим
экспериментом
была
установлена
существенная значимость только 7 из них: коэффициента перегрузки
(aω2/g, где a – амплитуда колебаний, м; ω – частота колебаний, с-1; g –
ускорение свободного падения, м/с2), времени очистки (t, мин.),
масштабного фактора (h/D, где h – высота слоя, м; D – диаметр
емкости, м), среднего диаметра частиц (dср, м), материала, положения
яиц по высоте слоя (hя, %) и фактора, учитывающего эффективную
вязкость (aωh/ν, где ν – кинематическая вязкость, м2/с). Одновременно
оперировать в широком диапазоне коэффициентом перегрузки,
масштабным фактором и фактором, учитывающим эффективную
вязкость, не представлялось возможным. Поэтому основной
эксперимент
проводили
с
применением
D-оптимального
симметричного некомпозиционного плана Бокса-Бенкена для 4
факторов на 3 уровнях варьирования и для каждого исследуемого
материала с фиксированным размером частиц (таблица 1), а
эффективную вязкость как основную реологическую характеристику,
влияющую на динамику поведения сыпучих тел под воздействием
вибрации, рассмотрели отдельно.
Таблица 1
Уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании
процесса сухой очистки яиц
№
п/п
1
2
3
4
Наименование
фактора
Коэффициент
перегрузки aω2/g
Масштабный
фактор
h/D
Положение
яиц
по
высоте слоя hя, %
Время очистки t, мин.
Кодированное
обозначение
Интервал
варьирования
-1
0
+1
Х1
7,3
3,2
10,5
17,8
Х2
0,12
0,37
0,49
0,61
Х3
20
30
50
70
Х4
4
2
6
10
Уровни
варьирования
Для проведения исследований процесса сухой очистки яиц в
виброкипящем слое на кафедре «Механизация животноводства»
АГАУ была изготовлена лабораторная установка (рис. 4).
15
5
6
4
7
3
8
9
2
10
1
11
Рис. 4. Схема экспериментальной установки для сухой очистки
яиц:
1 – рама; 2 – винтовой механизм; 3 – гибкое днище; 4 – абразивный
материал; 5 – приспособление для загрузки яиц; 6 – объект,
подлежащий очистке (яйцо); 7 – емкость; 8 – пульт управления;
9 – вибровозбудитель; 10 – упругая муфта; 11 – электродвигатель
Работает экспериментальная установка следующим образом.
Пультом управления 8 производится запуск электродвигателя 11,
который через упругую муфту 10 плавно сообщает крутящий момент
на вал вибровозбудителя 9. Винтовой механизм 2, выступая в роли
шатуна,
преобразует
вращательное
движение
кривошипа
вибровозбудителя
9
в
возвратно-поступательное
движение
центральной части гибкого днища 3. Гибкое днище 3 приводит в
движение нижние слои абразивного материала 4, а те, в свою очередь,
передают колебания вышележащим слоям. Таким образом рабочая
среда переходит в виброкипящее состояние. Партию загрязненных яиц
6 укладывают в ячейки решетки приспособления 5 и погружают в
виброкипящий слой, где движущимися абразивными частицами
осуществляется очистка яиц от загрязнений. После завершения
очистки решетку поднимают и выгружают из нее очищенные яйца.
В качестве критериев оптимизации приняты эффективность
очистки ЕО, кг/(м2с), и энергоемкость процесса ЕЭ, Вт∙ч/шт, сухой
очистки товарных яиц в виброкипящем слое.
Исследования
по
измерению
эффективной
вязкости
виброкипящего слоя проводили на вибровискозиметре, изготовленном
на базе экспериментальной установки для сухой очистки яиц (рис. 5).
16
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
4
3
2
1
18
17
16
15
Рис. 5. Схема вибровискозиметра по определению вязкости
дисперсных систем:
1 – рама; 2 – винтовой механизм; 3 – гибкое днище; 4 –
направляющие; 5 – емкость; 6 – дисперсный материал; 7 – шарик; 8 –
натяжное приспособление; 9 – струна; 10 – регистрирующая система;
11 – тяговый механизм; 12, 17 – упругая муфта; 13, 16 –
электродвигатель;
14, 15 – пульт управления; 18 – вибровозбудитель
Принцип
действия
вибровискозиметра
следующий.
Исследуемый материал 6 переводится в виброкипящее состояние
посредством вибровозбудителя 18. После чего включаются
регистрирующая система 10 и тяговый механизм 11, обеспечивающий
постоянную скорость движения сферического тела (шарика) 7. Усилие
на протягивание шарика 7, регистрируемое тензометрическим
датчиком, преобразуется в электрический сигнал, который подается на
осциллограф, пройдя предварительное усиление. Шкала осциллографа
тарируется на необходимый диапазон усилий, и с нее считываются
истинные значения силы на перемещение шарика 7.
Расчет эффективной вязкости дисперсного материала выполняли
по формуле Стокса:
P P
P
(20)

 1 0,
3dV
3dV
где  – эффективная динамическая вязкость исследуемой дисперсной
системы, Пас;
17
Р – усилие на преодоление сферическим телом сопротивления
материала, Н;
Р1 и Р0 – сила на перемещение сферического тела в дисперсной
системе и в пустой емкости соответственно, Н;
d – эквивалентный диаметр сферического тела, м;
V – скорость движения сферического тела, м .
с
Исследования поведения и эффективной вязкости
различных дисперсных сред, находящихся под воздействием
вибрации, позволили выбрать основные материалы для сухой
очистки яиц в виброкипящем слое. Ими оказались стеклянная
крошка и дробленая галька – сравнительно недорогие, широко
распространенные, обладающие хорошими абразивными
свойствами.
Для
определения
совместного
воздействия
аэродинамического напора и силовых импульсов частиц
дисперсной среды на яйцо, а также установления
демпфирования среды в различных зонах виброкипящего слоя
использовалось дополнительное приспособление (рис. 6).
2
1
3
6
4
3
2
5
Рис. 6. Приспособление для измерения силового воздействия
на яйцо:
1 – рамка; 2 – подвижная опора; 3 – кронштейн; 4 – направляющие
кольца; 5 – макет яйца; 6 – штанга
Силу воздействия (давление) исследуемой среды на яйцо
регистрировали предварительно протарированным динамометром. Вес
макета яйца 5 и штанги 6 соответствовал среднему весу стандартного
куриного яйца (0,58 Н). Если наблюдалось выталкивание макета яйца
18
5 к поверхности виброкипящего слоя, то силу считали положительной,
а в случае погружения – отрицательной.
В четвертой главе выполнен анализ результатов исследований,
определены оптимальные параметры процесса сухой очистки
товарных яиц в виброкипящем слое.
Математическую
обработку
экспериментальных
данных
проводили с использованием программы Statistica v6.0 для ПЭВМ.
На основании экспериментальных исследований получены
уравнения регрессии для параметров оптимизации процесса сухой
очистки яиц:
для стеклянной крошки
(21)
 а  ,
а
h
 
E   8,62  10 1,73  10
 7,75  10
1,13  10 h 1,44  10 t 1,04  10 
5
2
5
o
4
g
5
D
6
7
Я
2
2
 g 


а 2
h
h
 1,12  108
 t  6,91  10 4   1,27  105  hЯ  1,20  10 7 hЯ2  6,91  1010 t 2
g
D
D
2
2
E Э  268,05  10 3  6,64  10 3
 а 2 
а 2
h
h
 0,11  6,88  10 5 
  0,78   D 
g
D
g
 


2
;
(22)
для дробленой гальки
Eo 1,34  10 3  4,93  10 6
 7,23  10 9
2
(23)
.
(24)
 а 2  ,
а 2
h
 
1,46  10 3 1,63  10 5 hЯ  4,18  10 7 t  5,61  108 
g
D
 g 
а 2
h
 t 1,16  10 6  t  5,21  10 9 hЯ  t  4,26  1010 t 2
g
D
2
E Э  400,32  10 3  6,91  10 3
 а 2 
а 2
h
h
  0,81   
 0,11  5,42  10 5 
g
D
D
 g 
2
По уравнениям регрессии построены соответствующие
поверхности отклика (рис. 7-9), внешний вид которых для обоих
исследуемых материалов имеет схожие черты. В качестве примера
приведены графические зависимости по стеклянной крошке,
свидетельствующие о повышении эффективности очистки с
увеличением коэффициента перегрузки и времени обработки, с
уменьшением высоты виброкипящего слоя и при нахождении яиц у
виброднища установки, а также о росте энергоемкости с увеличением
коэффициента перегрузки и высоты слоя.
19
Рис. 7. Графическая зависимость эффективности очистки Eo
от времени t и масштабного фактора h/D
Рис. 8. Графическая зависимость эффективности очистки Eo
от коэффициента перегрузки aω2/g и положения яиц по высоте слоя hя
20
Рис. 9. Графическая зависимость удельной энергоемкости EЭ
от коэффициента перегрузки aω2/g и масштабного фактора h/D
При длительной очистке загрязненная поверхность яйца больше
по времени подвержена «бомбардировке» абразивными частицами.
Следовательно, чем дольше загрязненные яйца находятся в
виброкипящей абразивной среде, тем процесс сухой очистки
протекает более эффективно и в единицу времени с поверхности
скорлупы снимается больше загрязнений.
Чем меньше высота слоя абразивного материала, тем большая
величина
силового
импульса
передается
от
виброднища
экспериментальной установки к абразивным частицам, и тем
интенсивнее ударное воздействие последних на загрязненную
поверхность скорлупы.
Величина коэффициента перегрузки определяется двумя
основных параметрами вибрации – амплитудой и частотой колебаний.
При повышении амплитуды увеличивается величина силового
импульса, генерируемого виброднищем, и следовательно, ударное
воздействие абразивных частиц. Повышение частоты колебаний
виброднища ведет к росту числа контактов абразивных частиц с
очищаемой поверхностью, что повышает эффективность очистки.
Таким
образом,
увеличение
коэффициента
перегрузки
интенсифицирует процесс сухой очистки яиц.
Положение яиц по высоте виброкипящего слоя абразивного
материала тоже играет важную роль при сухой очистке. Так, у
поверхности виброкипящего слоя очистка малоэффективна или
неэффективна вообще. Лучшая очистка яиц достигается при их
размещении у основания виброемкости.
Возрастание удельной энергоемкости процесса с увеличением
параметров aω2/g и h/D сухой очистки яиц можно объяснить
следующими причинами. С одной стороны, рост высоты
виброкипящего слоя ведет к увеличению занимаемого им объема и его
веса. При этом повышается давление рабочей среды на виброднище и
потребление энергии электродвигателем. С другой стороны, с
увеличением коэффициента перегрузки связано возрастание величины
ускорения вибрации aω2, а следовательно, и потребляемой
электроэнергии.
Положение яиц по высоте виброкипящего слоя практически не
влияет на энергоемкость процесса сухой очистки.
21
Результаты исследований показали, что очистка яиц в
виброкипящем слое стеклянной крошки в среднем на 15%
эффективнее, чем в виброкипящем слое дробленой гальки.
При проведении экспериментальных исследований процесса
сухой очистки яиц от загрязнений коэффициент перегрузки находился
в интервале от 3,2 до 17,8, а масштабный фактор при D = 326 мм – от
0,37 до 0,61. Положение очищаемых яиц по высоте виброкипящего
слоя в виброемкости варьировало от 0,3h до 0,7h, а время их очистки
изменялось от 2 до 10 мин.
Поиск оптимальных параметров выполнялся с помощью
надстройки «поиск решения» приложения Microsoft Excel для ПЭВМ.
Согласно полученным данным, для достижения максимальной
эффективности очистки загрязненных яиц необходимо иметь
следующие параметры:
для стеклянной крошки aω2/g = 7,5; h/D = 0,37; hя = 0,5h и
t = 4 мин, что соответствует ЕО = 5,67·10-4 кг/(м2с) и ЕЭ = 0,45 Вт∙ч/шт;
для дробленой гальки aω2/g = 7,5; h/D = 0,37; hя = 0,5h и
t = 5 мин, что соответствует ЕО = 5,58·10-4 кг/(м2с) и ЕЭ = 0,44 Вт∙ч/шт.
Таким образом, процесс сухой очистки товарных яиц от
загрязнений лучше проводить в виброкипящем слое стеклянной
крошки.
В пятой главе рассмотрена возможность перехода от
экспериментальной установки к промышленному образцу машины
высокой
производительности,
и
проведено
экономическое
обоснование представленной работы.
Переход от экспериментальной установки периодического
действия, послужившей прототипом, к промышленному образцу
машины непрерывного действия возможен путем увеличения размеров
виброемкости, установки дополнительных вибровозбудителей, замены
приспособления для загрузки яиц транспортером.
Техническая характеристика машины приведена в табл. 2.
Таблица 2
Техническая характеристика машины для сухой очистки товарных яиц
в виброкипящем слое стеклянной крошки
№
п/п
1
2
Наименование параметра
Производительность, яиц в час
Габаритные размеры, мм:
длина
ширина
высота
Числовое значение
2760
3320
540
840
22
3
4
5
6
7
Количество обслуживающего персонала, чел.
Максимальная потребляемая мощность, кВт
Масса без абразивного материала, кг
Объем абразивного материала, м3
Расход абразивного материала, м3/ч
1
1,75
240
0,161
9,34·10-3
Экономические расчеты выполнены для условий птицефабрики
«Комсомольская» Павловского района Алтайского края с годовым
поголовьем кур-несушек 692 тыс. голов и со средней яйценоскостью
273 яйца. Очистка загрязненных яиц на птицефабрике осуществляется
серийной яйцемоечной машиной «Роса 16-6». Сравнительная техникоэкономическая оценка показала экономическую эффективность
использования предлагаемой машины для сухой очистки в сравнении
с базовой яйцемоечной машиной. Ожидаемый суммарный годовой
экономический эффект составит 1 862 000 руб. (в ценах 2008 г.) в
расчете на 14 145 тыс. яиц.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
По
результатам
обзора
литературных
источников,
проведенных экспериментальных и теоретических исследований
сделаны следующие выводы:
1. Анализ существующих способов очистки товарных яиц от
загрязнений показал, что применяемые в настоящее время
яйцемоечные машины, в которых используются водные моющие
растворы, полностью смывают защитную оболочку, предохраняющую
содержимое яйца от старения и порчи. К тому же вода способствует
проникновению внутрь яйца вредной микрофлоры. Машины,
работающие по принципу сухой очистки, удаляют с поверхности
скорлупы только часть защитной оболочки, что делает их более
пригодными для товарной обработки. Например, товарное яйцо,
очищенное сухим способом, хранится в среднем на 23% дольше, чем
мытое.
Все известные машины для сухой очистки имеют
конструктивно-технологические недостатки, ограничивающие их
широкое применение и производство. Устранения основных
недостатков можно добиться внедрением в рабочий процесс
виброкипящего слоя.
23
2. На основании уравнений теории резания металлов
разработана математическая модель процесса сухой очистки скорлупы
товарных яиц от загрязнений вибрирующими абразивными частицами,
учитывающая особенности виброкипящего слоя и длительность
виброобработки.
Модель
позволяет
определить
количество
загрязнения, снимаемого с поверхности скорлупы, в зависимости от
величины коэффициента перегрузки aω2/g, масштабного фактора h/D,
положения яиц по высоте слоя hя и времени очистки t. Отклонение
значений, полученных с использованием этой модели от
экспериментальных, составляет не более 5%.
3. Предложены способ и вискозиметрическое устройство для
измерения эффективной вязкости сыпучих дисперсных материалов,
отличающееся тем, что цилиндрическая емкость расположена
вертикально, выполнена с эластичным дном, жестко закреплена на
раме и содержит направляющие для шарика, при этом эластичное дно
соединено с виброприводом. Устройство позволяет определять
эффективную вязкость во всем объеме дисперсной среды при
различных параметрах вибрации и фракционном составе материала.
Техническая новизна подтверждена патентом РФ.
4. Проведенные
эксперименты
выявили
общие
закономерности поведения исследуемых дисперсных сред под
воздействием вибрации. При уменьшении эффективной вязкости
рабочей
среды
процесс
сухой
очистки
товарных
яиц
интенсифицируется. Так, например, понижение коэффициента
эффективной динамической вязкости стеклянной крошки с 3 до 2
кПа·с увеличивает эффективность очистки в 1,3 раза, а с 2 до 1 кПа∙с –
в 1,1 раза. Добиться минимальной эффективной вязкости позволяет,
главным образом, увеличение амплитуды и частоты колебаний.
5. Стеклянная крошка менее подвержена износу и поэтому
более предпочтительна для процесса сухой очистки товарных яиц от
загрязнений, что подтверждают следующие параметры эффективной
виброобработки: коэффициент перегрузки – 7,5; высота слоя – 120 мм;
средний размер частиц дисперсной среды – 3,5 мм; время обработки –
4 мин. (для сравнения: дробленая галька – 5 мин.), износ абразива –
5,8 %/ч (дробленая галька – 9,4 %/ч).
6. Удельная энергоемкость процесса сухой очистки яиц в
виброкипящем слое стеклянной крошки и дробленой гальки имеет
сравнительно низкое значение и составляет 0,45 и 0,44 Вт∙ч/шт
соответственно. Удельная энергоемкость яйцемоечного процесса с
использованием серийной машины «Роса 16-6» в 3 раза превышает
24
удельную энергоемкость сухой очистки товарных яиц в виброкипящем
слое.
7. Проведенная технико-экономическая оценка подтвердила
экономическую целесообразность использования в процессе товарной
обработки яиц на птицефабрике «Комсомольская» Алтайского края
предлагаемой машины для сухой очистки в сравнении с серийной
яйцемоечной машиной «Роса 16-6». Ожидаемый суммарный годовой
экономический эффект составит 1 862 000 руб. (в ценах 2008 г.) в
расчете на 14 145 тыс. загрязненных яиц.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Гнездилов, А.А. Анализ способов очистки товарных яиц от
загрязнений [Текст] / А.А. Гнездилов // Вестник АГАУ. – Барнаул:
Изд-во АГАУ, 2003. – № 1 (9).– С. 56-57.
2. Гнездилов, А.А. Методика оценки эффективности очистки
поверхности скорлупы товарных яиц от загрязнений [Текст] /
А.А. Гнездилов // Молодые ученые – сельскому хозяйству Алтая: сб.
научн. тр. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. – № 1.– С. 57-58.
3. Гнездилов, А.А. Экспериментальное определение усилия на
яйцо в виброкипящем слое абразивного материала [Текст] /
А.А. Гнездилов // Вестник АГАУ. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. –
№ 3 (23).– С. 62-65.
4. Пирожков, Д.Н. Изменение эффективной вязкости
дисперсных сыпучих материалов под воздействием вибрации [Текст] /
Д.Н. Пирожков, А.А. Гнездилов, С.А. Сорокин [и др.] // Вестник
АГАУ. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. – № 4 (24). – С. 50-53.
5. *Федоренко, И.Я. Методы расчета вибрационных машин на
основе гидродинамических моделей сыпучего материала [Текст] /
И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, А.А. Гнездилов // Сибирский вестник
сельскохозяйственной науки. – Новосибирск: Агрос, 2007. –
№ 5 (173).– С. 93-98.
6. Пат. 2294096 Российская Федерация, МПК А 01 К 43/00.
Линия для сухой очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений
[Текст] / И.Я. Федоренко, А.А. Гнездилов, Д.Н. Пирожков; заявитель и
патентообладатель ФГОУ ВПО АГАУ. – № 2005124098/12; заявл.
28.07.2005; опубл. 27.02.2007, Бюл. № 6. – 4 с.
7. Пат. 2267770 Российская Федерация, МПК G 01 N 11/10.
Устройство для определения вязкости дисперсных материалов
25
[Текст] / И.Я. Федоренко, А.А. Гнездилов, С.А. Сорокин [и др.];
заявитель
и
патентообладатель
ФГОУ
ВПО
АГАУ.
–
№ 2004113678/28; заявл. 05.05.04; опубл. 10.01.06, Бюл. № 01. – 4 с.
* Работы, опубликованные в изданиях по списку ВАК.
26
ЛР №020648 от 16 декабря 1997 г._______________
Подписано в печать 12.03.2009 г. Формат 60×84/16. Бумага для
множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ___.
Издательство АГАУ,
656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98,
тел. 62-84-26