WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УШАКОВ Юрий Андреевич

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА МОЛОКА

Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Оренбург – 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Л.П. Карташов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор З.В. Макаровская доктор технических наук, профессор А.П. Иванова доктор технических наук, профессор В.В. Кирсанов

Ведущая организация: НПП «Фемакс», г. Москва

Защита состоится 10 ноября 2011г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 в ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460795, ГПС, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.orensau.ru ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « _____ » ____________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент В.А. Шахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

По данным министерства сельского хозяйства РФ в 2008 году в целом по стране от общей массы молока, сдаваемого сельскохозяйственными предприятиями на переработку, принято высшим сортом - 5%, первым - 88%, вторым и не сортовым более 7%, в результате чего хозяйства недополучили значительную часть прибыли.

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 этих операций, сохранив их эффективность, снизив расход электроэнергии, воды и моющих средств. Экономически целесообразно использовать современные моюще-дезинфицирующие средства, установив для них обоснованные режимы санитарной обработки доильного оборудования в условиях конкретной фермы, конкретного исполнения доильной установки.

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 механических воздействий со стороны внутренних поверхностей деталей молочной линии на молоко. Эти воздействия приводят к возникновению завихрений движущегося потока, с гомогенизирующим эффектом, и как следствие происходит деформация жировых шариков молока и повреждение их оболочек. В результате в молоке 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 в последующих емкостях.

Такое молоко за небольшое время приобретает прогорклый и горький вкус, а вместе с ним и вырабатываемая из него продукция. Такой вкус нельзя устранить никакими технологическими приемами. Кроме этого воздух, засасываемый в молочные коммуникации, является источником бактерицидного обсеменения молока, за счет окисления белковых оболочек жировых частиц.

При механизированном доении более 90% микробных и механических загрязнений формируется за счт плохо промытых доильных аппаратов и молокопроводов.

Цель исследования. Совершенствование технологии и технических средств машинного доения коров с целью повышения эффективности их функционирования для сохранения качества молока.

Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:

• Обобщить результаты научных исследований и дать оценку состоянию процесса доения коров; провести системный анализ и общее методологическое описание процессов в молокопроводной линии доильных установок с точки зрения их влияния на качество молока.

• Теоретически обосновать направление совершенствования элементов доильной установки (форма деталей, соприкасающихся с молоком должна обеспечивать сохранение его качества, а при циркуляционной промывке – быстрое и полное удаление с деталей загрязнений). Построение физико-математических моделей течений с учетом особенностей проточных частей доильных установок и определение их гидродинамических характеристик.

• Повысить эффективность контроля чистоты внутренних поверхностей доильной установки, стабильности гидродинамических параметров молоковоздушной смеси и моющего раствора (оптимизировать систему контроля, разработать элементную базу).

• Разработать: стенды для моделирования взаимодействия молока (моющего раствора) с внутренними поверхностями деталей доильной установки при различных гидродинамических режимах, испытания элементов доильных установок; генераторы переменного расхода воздуха с заданными вероятностными характеристиками для моделирования турбулентных потоков и испытания контрольно-измерительного оборудования.

• Разработать алгоритмы расчета гидродинамических характеристик проточных частей доильного оборудования, реализовать алгоритмов расчета гидродинамических характеристик проточных частей в виде программных модулей.

• Разработать частные методики: определения импирических коэффициентов для уточнения математических моделей турбулентностей и технические средства для их реализации; лабораторных и производственных иследований.

• Провести лабораторные испытания, производственную проверку и испытания предложенных технических решений, определить их экономическую эффективность и реализовать полученную научно-техническую продукцию потребителям.

Объект исследования. Гидродинамические процессы взаимодействия молока, воздуха, молочно-воздушной смеси и моющего раствора с внутренними поверхностями деталей доильных установок.

Предмет исследования. Закономерности: образования загрязнений на поверхностях деталей доильных установок, удаления загрязнений с поверхностей деталей доильных установок, влияния воздействия поверхностей этих деталей на качество молока.

Рабочая гипотеза исследования. 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 при доении и промывке, обеспечение возможности управляемого механического воздействия деталей на молоко снижают энергомкость доения и промывки, повышают качество получаемого молока.

Методика исследований. Методы исследований диссертационной работы опираются на современные информационные технологии, включающие адекватные физико-математические модели изучаемых явлений (трехмерные уравнения Навье-Стокса), эффективные вычислительны алгоритмы (метод конечных объемов, метод конечных элементов), принципы создания проблемноориентированных программных комплексов. Для расчета динамики образования и удаления загрязнений применялся метод контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы. Модель взаимодействия жировых шариков молока с поверхностью лопасти рабочего колеса получена с использованием струйной теории Эйлера, элементарной теории радиальных вентиляторов В.П. Горячкина и теории рабочего процесса дискового аппарата. При создании методики расчета конструктивно-эксплуатационных параметров центробежного насоса использовалась теоретическая схема элементарного представления о кинематике потока в колесе, с поправкой Пфлейдерера на теоретический напор, с учетом конечного числа лопастей. Реализация этапов вычислительного эксперимента для параметрического синтеза центробежного молочного насоса проводилась на основании общепринятой методологии программирования. Экспериментальные исследования проводились по разработанным частным методикам испытаний. Расчет и анализ параметров процесса осуществлялся с использованием теории математической обработки данных, планирования многофакторных экспериментов. В работе использовались фото- и видеосъемка, люминоскопа «Филин», тепловизор и фотоколориметр КФК-2, применялись программно-технические средства.

Научная новизна работы.

- Определены современные тенденции с оценкой развития эффективных технологий и технических средств, обеспечивающих качество молока.

- Разработан комплекс математических моделей для численного моделирования взаимодействия гидродинамических потоков с проточными частями доильных установок и критерии для оценки этих взаимодействий.

- Подтверждена выдвинутая в работе гипотеза о необходимости: согласования процессов образования и удаления загрязнений на поверхностях деталей доильной установки взаимодействующих с молоком и моющим раствором для определения форм этих поверхностей на этапе проектирования; совершенствования системы контроля параметров процесса доения и промывки для обеспечения стабильности их протекания; обеспечения возможности управляемого механического взаимодействия деталей с молоком и моющим раствором.

- Определены коэффициенты модели турбулентностей, поправочные коэффициенты модели гидродинамического потока, предложены частные методики и технические средства для их получения.

Практическая ценность работы.

- Разработанные методы и алгоритмы расчета гидродинамических характеристик проточных элементов доильных установок могут быть использованы при решении новых научно-исследовательских, инженерных и проектных задач.

Разработанные программные модули позволяют без проведения дорогостоящих экспериментов получать интегральные и локальные гидродинамические характеристики.

- Конструкция: стендов для испытания элементов и изучения гидродинамических процессов в проточных частях доильных установок; устройства для заполнения молочного насоса; устройства для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко; установки для определения динамического коэффициента модели движения частицы жидкости, установки для определения нормального усилия от поверхности проточной части оборудования.

- Программные средства для расчета технико-экономических показателей молочного насоса и проектирования формы лопасти рабочего колеса.

- Результаты экспериментальных исследований гидродинамических процессов в проточных элементах доильных установок.

На защиту выносятся:

- концептуальные основы разработки методик, технологических режимов и средств новой техники для обеспечения качества молока;

- математические модели для численного моделирования гидродинамических потоков в проточных элементах доильных установок, позволяющие проектировать оптимальные формы;

- новые технико-технологические решения, обеспечивающие повышение качества молока, снижение расхода электроэнергии, воды и моющих средств;

- новые технические решения и программные средства для исследования взаимодействия молоквоздушной смеси и моющего раствора с поверхностями деталей доильных установок.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных (кафедра «Механизация животноводства» Оренбургского ГАУ, ГНУ ВИЭСХ, ОНЦ УрОРАН) и производственных (МТФ с. Новотроицкое, Октябрьского района, ЗАО Нива, СПК «им. Юдина» и ПСК «Приуральский» Оренбургского района) условиях; а также соответствием приведенных результатов данным, полученными другими авторами. Достоверность подтверждается также воспроизводимостью результатов в пределах точности эксперимента, согласием результатов проведенных экспериментов с данными независимых опытов в диапазоне совпадения параметров, а также удовлетворительным согласием с расчетами по моделям, основанным на фундаментальных уравнениях механики жидкостей.

Апробация работы. Отдельные разделы и материалы диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-технических конференциях Оренбургского ГАУ (1983…2011гг.); на III Всесоюзной межвузовской конференции «Робототехнические системы» (Челябинск, 1983 г.); на расширенном заседании отдела механизации и автоматизации животноводческих ферм СИБИМЭ (Новосибирск, 1986,1987 гг.); на научной конференции Челябинского ордена Трудового Красного Знамени института механизации и электрификации сельского хозяйства (Челябинск, 1985 г.); на VI Всесоюзном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Таллин, 1983 г.); на техническом совещании ПО «Кургансельмаш» (Курган, 1987 г.); на VI, V111, IX, X, , XIV, XV международных симпозиумах по вопросам машинного доения сельскохозяйственных животных (Таллин, 1983; Оренбург, 1995, 1997; Москва, 2002; Гомель, Белоруссия, 2006 г.; Углич, Россия, 2008г.; Брацлав, Украина, 2010 г.); на научнотехнической конференции по методам и техническим средствам, применяемых при испытаниях сельскохозяйственной техники (Москва, АгроНИИТЭИИТО, 1988 г.); на IV научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК» отделения механизации, электрификации и автоматизации Российской академии сельскохозяйственных наук, Главного управления механизации и электрификации Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации и Главного управления по развитию сельскохозяйственного и тракторного машиностроения Комитета Российской Федерации по машиностроению (Москва, ГОСНИТИ, 1995 г.); на II Международной конференции «Интеркультурные коммуникации» технического университета Chemnitz-Zwickau, совместного российско-германского предприятия «ОверисУрал» (Оренбург-Кемниц-Ансбах – 1996 г.); на Х, ХI, XII международных научно-практических конференциях (ГНУ ВНИИМЖ, Москва, 2007, 2008, 2009 гг.);

на международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM’96 (Симпозиум «Науки в области техносферы» - Москва, 28 января – февраля 1996 г.). Фрагменты диссертации включены в проект, утвержденный Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Оренбургской области (заявка № 08-08-99119-Р-ОФИ). Часть работы выполнена в рамках темы: «Изучение кинематической устойчивости жидкодиспрсных систем в условиях контактных взаимодействий с твердыми телами различной кривизны» и включена в НИОКР Отдела биотехнических систем Оренбургского научного центра УрО РАН на 2009-2011 гг. (номер госрегистрации 01200952374).

Теоретические исследования с технической реализацией результатов удостоены диплома лауреата областной выставки научно-исследовательских работ администрацией Оренбургской области (1995 г.), отмечены серебряной и бронзовой медалями ВВЦ (г. Москва). Разработка «Универсальный стенд для исследования пробкового движения молока в трубопроводе» включена в каталог IV Российского Форума «Российским инновациям – российский капитал», IX Ярмарки бизнес-ангелов и инноваторов (стр. 88-89, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 работы (в том числе четырнадцать статей опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а 22 работы опубликованы в других научнотехнических изданиях). Новизна технических решений защищена пятнадцатью патентами на изобретения и двумя свидетельствами об официальной государственной регистрации программы для ЭВМ РОСПАТЕНТа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 215 наименований, из них на иностранном языке. Работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включая список литературы, содержит 92 рисунка, 17 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА МОЛОКА» освещены современные требования к качеству молока, динамика изменения качества молока и влияние на него чистоты доильного оборудования, в частности отмечено, что из вымени здоровых коров молоко выходит практически стерильным, а по мере движения по молочной линии происходит увеличение бактериологической обсемененности (рис.1). Кроме этого, при проведении Рис. 1. Примерная динамика бактериальной обсемененности в молочной линии доильной установки (1 и 2 - при нормальном и неудовлетворительном состоянии молочной линии).

зоотехнических исследований процесса движения молоковоздушной смеси через узлы и детали доильной установки, выявлено, что общие потери жира молока в доильной установке колеблются от 0,13 до 0,19%, причем потери жира при транспортировке по молокопроводу составляют 0,06-0,08%, через молочный насос – 0,06-0,1%, прочие – менее 0,01%. Приведены существующие способы контроля качества промывки.

Большой вклад в теорию и практику проблемы очистки доильного оборудования и сохранения качества молока внесли следующие ученые: М.В. Барановский, Ю.И. Беляевский, В.И. Березуцкий,, А.Е. Брагина, Г.П. Дегтерев, Б.А.

Доронин, А.М. Жмырко, Ю.П. Золотин, В.Г. Мохнаткин, А.Б. Кузьмин, П.А. Курунин, Л.П. Карташов, Дж. Кэмпбэл, В.В. Кирсанов, Ю.А. Цой, Карл Пфлейдерер, А.И. Пунько А. Тепел, А.И. Фененко, С.В. Харьков, В.Н. Шулятьев R.S.

Gates, R. Sagi, R.W. Guest, D.J. Reinemann и др..

Анализ литературы показал, что на поверхности доильно-молочного оборудования в течение короткого промежутка времени скапливается остатки молока и прочие загрязнения, которые служат питательной и защитной средой для развития микроорганизмов. При некачественной очистке оборудования это приводит к загрязнению получаемого молока и снижению его качества.

Наиболее важной операцией по уходу за доильной аппаратурой и молочным оборудованием является его промывка. Основная задача промывки доильного оборудования — удаление с его внутренней поверхности, соприкасающейся с молоком, различного рода загрязнений (молочных остатков, грязи, бактериальных скоплений и других частиц веществ). Причем, молочная пленка и жир являются не только благоприятной средой для быстрого размножения бактерий, но и причиной преждевременного износа резиновых деталей.

В случае недостаточно тщательного соблюдения режима санитарной обработки или выбора несоответствующего средства для нее в молокопроводящих путях в течение короткого периода времени происходит накопление молочных остатков, что создает благоприятную среду для размножения микроорганизмов и защищает от губительного действия на нее моюще-дезинфицирующих средств.

Эффективность промывки молочной линии зависит от комплексного воздействия температуры, скорости и продолжительности циркуляции моющего раствора, и его типа и концентрации. Анализ рекомендуемых значений технологических параметров показал, что при внедрении систем промывки с формированием пробкового режима движения моющего раствора, они требуют уточнения.

Таким образом, решение проблемы повышения санитарного качества молока требует доработки и совершенствования элементов системы технологических и технических мероприятий по обслуживанию молочной линии доильной установки.

Вторая глава - «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЯХ ДОИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ». Закон Ньютона может быть построен с помощью тензорной операции умножения, где внешняя сила F, определяется в абсолютной системе координат, а реакция W – в локальном базисе, связанном с элементарной деформируемой частицей молоковоздушной смеси или моющей жидкости (рис.2).

Тензорная масса жидкой частицы M реагирует на суммарное внешнее воздействие с учетом предыстории ее несвободных движений и внутренних дефор- Рис. 2. Элементарная частица жидкости в гидродинамическом потоке.

маций, при этом исполняет роль аккумулятора энергии поступательного движения, учитывает инерционные свойства деформационного и вращательного движений.

Пространственное описание движения и взаимодействия частиц жидкости выполняется в расширенной тензорной нотации в абсолютной (Эйлеровой) и локальной системах координат. Последняя выступает естественным базисом конкретной частицы жидкости, участвующей в свободном (Лагранжевом) движении по собственной траектории, и в которой определяются внутренние свойства этой частицы жидкости. Пространственно-временная картина движения и взаимодействия согласно основному принципу динамики может быть записана в виде dtm(t, ) dtd f (t) (1) x где - касательный вектор к кривой - m(t,) m(t, x*(t)), f (t) r (t,b) - центр масс конфигурации тела массой М(), – плотность массы, x*(t) M ( ) – конфигурация тела, - координаты места, – скорость движения.

x При этом под силой следует понимать результирующую силу e, действующую на тело со стороны его внешности е, которая склаf f (,t) дывается из контактной (поверхностной) и массовой или объемной fс f ( e,t) составляющих, а внешность тела в виде объединения f f (о e,t) f f f с е е е. Кинематическая граница состоит из одних и тех же точек тела и, о е е следовательно, множества во времени не меняются. Контактная сила явля ио ется непрерывной функцией площади поверхности конфигурации тела (замкнутой кинематической границы).

Рассматриваемая вычислительная модель наделяет жидкость свойствами сжимаемости, вязкости и упругости (рис.3). Выделение диагонального тензора скорости позволяет получить тензор шарового сжатия с компонентами, опреде- Рис. 3. Схема шарового сжатия, вращения и упругой деформации частицы ляющими давление, с учетом коэффициента динамического сжатия. Выделение кососимметричной части матрицы скорости, которая задает вращение одной крупной частицы относительно смежных получают тензор вязких напряжений.

Оставшийся симметричный тензор связывается с упругой деформацией.

Использование этой модели при проектировании проточных устройств доильных установок на требуемые параметры работы невозможно без надежного прогнозирования характеристик этих течений. Вследствие самой природы этих сред течения молоковоздушной смеси и моющей жидкости нередко происходят весьма сложным образом, с образованием нестационарных эффектов, застойных зон и вихревых структур. В данной работе не учитывалось образование скачков уплотнения и ударных волн при высоких скоростях движения частиц, наличие теплопереноса, течение с кавитацией, конденсацией и химическими реакциями.

Для замыкания этих уравнений исследовали различные модели турбулентности, классификация которых приведена на рис.4.

Мoдели Турбуле нтностей ностей Ламинар k-epsilon k-omega Rey- (2 ур-я) (2 ур-я) nolds- ный Stress режим (5 ур-й) QuadratLinear LowStan- RNG Reali- Stan- SST ic Pres- Re dart sable dart Pressure sure Stress- Strain Strain Omega Рис.4. Классификация моделей турбулентностей Для описания наиболее общего случа движения жидкой среды необходимо использовать уравнения Навье – Стокса (2) и неразрывности (3):

p ui uj , (2) ui uiuj fi t xj xi xj xj xi . (3) uj t xj Здесь использована сокращенная запись уравнений, i, j = 1-3, предполагается суммирование по одинаковым индексам, x1, x2, x3 – оси координат, t – время. Член fi выражает действие массовых сил. В этой системе из 4 уравнений независимыми искомыми параметрами являются 3 компоненты скорости u1, u2, u3 и давление p. Плотность молока и моющего раствора полагается величиной постоянной. Течение в молочном насосе рассматриваются в относительной системе отсчета, при этом член fi в правой части уравнений (2) выражает действие центробежных и кориолисовых сил:

fi 2 u r, (4) где – угловая скорость вращения; r – радиус-вектор (модуль которого равен расстоянию от данной точки до оси вращения).

Для моделирования турбулентностей выбрали k – модель турбулентности. Эта модель предполагает дополнение систем уравнений движения жидкости 2 дифференциальными уравнениями, описывающими перенос соответственно кинетической энергии турбулентности k и скорости диссипации k, (5) k ujk Pk t xj xj k xj , (6) uj C1Pk C2 t xj xj xj k t t где – член, выражающий генерацию энергии k,,.

ui k Pk uiuj k xj k Параметры и t определяются следующим образом: ui ,.

t C xj Константы k – модели, согласно рекомендациям исследователей и результатам собственных экспериментов: С = 0.09, С 1 = 1.44, С 2 = 1.92, k = 1.0, = 1.3.

Vasquez S.A. для моделирования двухфазных течений, когда в потоке присутствуют дискретныех частицы, которые взаимодействуют с потоком основной фазы и друг с другом дискретно ввел уравнение (7).

dvp d3f dvf d3f dvf dvp d3p dmp 3dCcor vf vp Fe p f r vp dt 6 dt 12 dt dt . (7) Здесь mp – масса частицы, d – диаметр частицы, v – скорость, – динамическая вязкость вещества основной фазы, Ccor – его коэффициент вязкого r сопротивления; – угловая скорость вращения, – радиус вектор (при рассмотрении движения в относительной системе отсчета). Индекс p относится к частице, индекс f – к веществу основной фазы.

Для простоты полагаеются, что частицы рассеянной фазы имеют шарообразную форму. Силы, действующие на эту частицу, обусловлены разностью скорости частицы и скорости потока основной фазы, а также вытеснением этой частицей среды основной фазы.

Третья глава - «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛОКА С РАБОЧИМ КОЛЕСОМ МОЛОЧНОГО НАСОСА». Состоит из выбора реологических параметров молока, математической модели взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком и расчета конструктивно-эксплуатационных параметров насоса доильной установки. В параграфе «Выбор реологических параметров молока» выяснено, что наибольшее механическое воздействие оказывается конструктивными параметрами рабочего колеса, на такие физико-химические свойства молока, как плотность, вязкость и размер жировых частиц.

Реологические параметры определяли для молока обладающего ньютоновскими (градиент среза с-1) и неньютоновскими ( с-1) свойствами c 400 c 4жидкости. Плотность молока, в условиях процесса перекачивания в доильной установке, главным образом, зависит от содержания в нем воздуха. Выражения для определения вязкости и градиента среза (скорости) найдены с помощью кривых вязкости для сырого молока и молока подвергнутого неполной гомогенизации (исследования А. Тепела).

Предлагаемая в параграфе «Математическая модель взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком» модель основывается на струйной теории Эйлера и теории рабочего процесса дискового аппарата. При ее создании были приняты следующие допущения:

1) Линия действия результирующей силы (главного вектора) от потока P молока на жировую частицу направлена по касательной к рабочей поверхности лопасти, в плоскости перпендикулярной к оси вращения рабочего колеса;

2) Частота вращения n рабочего колеса неизменна в течении времени, при данном цикле работы насоса.

3) Сила нормального давления со стороны рабочей поверхности лопаN сти колеса на поток молока постоянна.

4) Время взаимодействия различных жировых частиц с лопастью подчинено равномерному закону распределения.

После составления суммы проекций всех внешних сил, действующих со стороны лопасти на жировую частицу, в декартовой системе координат (рис.5), получена система уравнений:

m х FТР сos N cos( ) P cos FК cos( ) FЦ cos( ) (8) m y FТР sin N sin( ) P sin FK sin( ) FЦ sin( ) FA mg Подставив выражения внешних сил в дифференциальное уравнение (8), после преобразований получим линейное неоднородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с переменными коэффициентами:

k N 3 c (9) x (2 tg ) x x sin cos, m m 2 d Рис. 5. Схема внешних действующих сил на жировой шарик молока: - результирующая P сила от потока молока, Н; - сила внутренFтр F Fтр а него трения струи молока о рабочую поверх ность лопасти, Н; - сила нормального давN N ления со стороны лопасти рабочего колеса на A F ц r поток молока, Н; - сила Архимеда, Н; - Fa Fк F к кориолисова сила инерции, Н; - центробежFц P ная сила инерции, Н; – угол, составленный mg касательной к лопатке с положительным на правлением радиус-вектора r, рад; – полярный угол, рад; - угол, составленный касательной к лопатке с положительным направлением оси абсцисс, рад.

где – угловая скорость вращения колеса, с-1; k – динамический коэффициент, кг/с; m - масса жировой частицы молока, кг; N – сила нормального давления, Н; – плотность молока, кг/м3, - динамическая вязкость, Ст; - градиент скорости c или среза, с-1, d – диаметр (размер) жировой частицы молока, м.

При помощи последовательно вводимых подстановок методом Бернулли ( ) и подстановкой допускающей понижение поx f( u z) ( ( рядка ( z u ), получим следующее выражение:

k 3 c k k 1 k х (cos )2 em cos q sin 1 2 ( )2 ( ( )2 ) ) 2 d m m 2 m 3 c k k (10) sin q cos (2 ( )2 ) 2 d m m Подставив в выражение (10) реологические (, , c, d) и эксплуатационные (, k, N) параметры получим траекторию кривой, описывающую оптимальную форму лопасти рабочего колеса насоса (см. на рис. 3, а).

В параграфе «Расчет конструктивно-эксплуатационных параметров насоса доильной установки» для получения наиболее полного теоретического обоснования процесса перекачивания молока, представлена разработанная методика расчета, включающая в себя: выбор теоретических и расчет действительных параметров насоса, выбор и расчет основных размеров центробежного колеса и связь основных параметров насоса с геометрией рабочего колеса.

Четвртая глава - «РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ КАЧЕСТВА МОЛОКА». Излагается два аспекта. Первый - повышение эффективности контроля чистоты молочной линии и параметров обеспечивающих стабильный вакуумный режим. Второй – необходимость разработки генераторов переменного расхода воздуха для испытания элементов доильных установок, создания гидродинамического потока моющей жидкости с заданной интенсивностью турбулентности. Приведена схема построения генераторов с плавно изменяющейся функцией распределения расходов. Рассмотрены разные схемы построения контрольно-измерительных систем, проанализированы различные контролируемые параметры с точки зрения их чувствительности и информативности.

Пятая глава - «МЕТОДИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА» посвящена реализации теоретического обоснования процесса движения молока и моющего растворав проточных частях доильной установки. Разработан алгоритм математического моделирования (рис.6) взаимодействия молока с лопаткой рабочего колеса насоса, защищенный двумя свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ. Результаты численного моделирования в других проточных частях выполнены с помощью открытого пакета Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation).

Для проведения параметрического синтеза процесса перекачивания молока насосом были созданы программные средства (ПС), написанные в среде программирования Borland C++ Builder 6.0.: первое – ПС№1 для моделирования профиля лопасти рабочего колеса, второе – ПС№2 для моделирования процесса работы молочного насоса. ПС состоят из нескольких программных модулей, выполняющих определенные расчетные функции, и базы данных, хранящую реологические параметры молока и конструктивные параметры молочного насоса. Расчетные функции ПС представлены разделами второй главы.

ПС позволяют работать с реологическими параметрами молока – вводить новый состав и свойства молока, корректировать и расширять базу данных. К реологическим параметрам относятся: плотность молоковоздушной смеси, динамическая вязкость . Эти параметры изменяются в соответствии с изменением размера жировых частиц, жирности молока и содержания воздуха в молоке. Расчет пара- Рис. 6. Схема решения задачи математического моделирования метров проводился по методике раздела «Выбор реологических параметров молока».

В ПС реализована возможность вводить, корректировать и сохранять конструктивные параметры молочного насоса в базе данных. К этим параметрам относятся: приведенный диаметр входа D1пр, диаметр входной воронки D0, ширина лопасти b, входной D1 и выходной D2 диаметры колеса, толщина лопасти , углы установки лопасти на входе 1 и на выходе 2, число лопастей z, полярный угол установки лопасти , шаг лопастей входа t1 и выхода t2. Кроме этого содержится ряд коэффициентов для уточнения конструктивных параметров рабочего колеса, а именно: коэффициент стеснения на входе 1 и выходе 2 из рабочего колеса, уточненное значение коэффициента стеснения 1р, погрешность коэффициента стеснения , эмпирический коэффициент ', поправка на конечное число лопастей . При этом, после ввода первой группы конструктивных параметров насоса, ПС проводят расчет уточненных параметров и дают оценку рациональности предлагаемой конструкции, используя методику раздела «Расчет конструктивно-эксплуатационных параметров насоса доильной установки».

После работы с базой данных реологических и конструктивных параметров приступают к выбору эксплуатационных параметров процесса. В ПС к таким параметрам относятся: коэффициент сопротивления среды a, удельная массовая нагрузка q, частота вращения рабочего колеса насоса n.

Последним этапом работы с ПС является вывод на экран ЭВМ интерфейсного окна «Технико-экономические параметры». Экранное окно (рис. 7) условно разделено на три блока: основные параметры насоса, экономические параметры процесса работы насоса и конструктивная схема рабочего органа насоса – ПС№1 или конструктивная схема рабочего колеса насоса – ПС№2.

а б Рис. 7. Окна технико-экономических параметров: а - ПС№1, б - ПС№2.

Блок значений «Основных параметров насоса» формируется в результате определения значений показателей по методике раздела «Расчет конструктивноэксплуатационных параметров насоса доильной установки». Блок значений экономических параметров – по методике «Оценка экономических параметров процесса перекачивания молока насосом доильной установки». А блоки «Конструктивная схема рабочего органа насоса – ПС№1» - по методике раздела «Математическая модель взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком» и «Конструктивная схема рабочего колеса насоса – ПС№2» - по методике построения кривых Бедье по 3-м точкам.

По результатам первых двух блоков оценивали, насколько целесообразно использовать полученную конструктивную схему рабочего колеса, с предлагаемой формой лопасти. Если результат не приемлем, то проводили последовательное изменение всех, либо любой на выбор группы параметров ПС. Таким образом, определяют оптимальную конструктивную схему рабочего колеса насоса.

В шестой главе «ПРОГРАММА И ЧАСТНЫЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» подробно описаны методики проведения серий опытов, расчетов параметров процесса и проведения лабораторного анализа молока.

Для проверки рабочей гипотезы на адекватность, теоретических положений и программных средств на точность решения разработаны и созданы:

стенды для испытания молочного насоса и элементов вакуумной системы (рис. 8), устройство для заполнения молочного насоса (рис. 9), устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко (рис. 10), устройство для отбора проб молока, установка для определения динамического коэффициента, установка для определения нормального усилия.

Б.К.У.С.

Рис. 8. Стенд для испытания молочного насоса:

1 - подвижная рама; 2, 7 - запорный элемент; 3 - ручка; 4 - расходная емкость; 5 - заливная горловина; 6 - всасывающий трубопровод; 8 - счетчик газа ротационный РСМ-40-М; 9,14 - мановакуумметр МВПЗ-УФ и манометр МПЗ-УУ2; 10,19 - соединительные муфты; 11 - устройство для отбора молока; 12 - блок контроля управления стендом; 13 - молочный насос; 15 - термометр ТБ-1; 16 - напорный трубопровод; 17 - электродвигатель; 18 - счетчик СКВ-12/32; 20 - поворотные колеса.

Стенд для испытания молочного насоса позволяет: проводить испытания различных конструкций молочных насосов доильной установки; регистрировать эксплуатационные параметры процесса перекачивания молока насосом;

обладает конструкцией для его передвижения при помощи ручной тяги, с целью проведения лабораторных и производственных испытаний; использовать ссовместно с устройствами для отбора проб молока, исследования воздействия насоса доильной установки на молоко и для заполнения молочного насоса. Стенд для испытания элементов вакуумной системы позволяет моделировать режимы такие же как и в реальной действительности.

Динамическую стабильность разрежения в неблагоприятной точке оценивали величиной tк dP 1 dt dt, (11) tК рс tк t0 где t0 - время начала дойки, c; tк - время окончания дойки, с; P- значение разрежения в функции времени, Па; Крс - отношение длины кривой фактического изменения давления в трубопроводе к величине проекции этой кривой на направление оси временя с учетом масштабного коэффициента по оси ординат и оси абсцисс.

Рис. 9. Схема устройства для заполнения молочного насоса. 1 – всасывающий трубопровод, 2 – молокосборник, 3 – поплавок, 4 – шток, 5, 8 – труба молоковвода, 6 – датчик включения насоса, 7 – вакуумпровод, 9 – трубка Пито, 10 - сливная трубка, 11 – отсекатель, 12 – сильфон, 13 – пульт управления, 14 – заборная трубка, 15 – рабочая камера насоса, 16 – нагнетательный трубопровод, 17 - электродвигатель, 18 – крепление насоса.

Устройство для заполнения молочного насоса предназначено для удаления воздуха просасывающегося в рабочую камеру насоса, во время его остановки и работы.

Рис. 10 – Устройство для исследования воздействия насоса на молоко: 1 – вал электродвигателя, 2 – шпонка, 3 – обойма, 4 – поверочные шайбы, 5 – уплотнительный наконечник, 6,7– ведущий и ведомый диск, 8 – гайка, 9 – шайба крепления, 10 – винт, 11 – корпус насоса, 12 – лопасть, 13 – винт крепления, – пружина, 15 – упорный винт, 16 – хвостовик.

Устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко позволяет изменять конструктивные параметры рабочего колеса, с целью нахождения его оптимальной конструкции и состоит из механизмов для закрепления лопастей и фиксации устройства на валу электродвигателя.

Устройство для отбора проб молока позволяет определить процентное содержание воздуха в молоке, после остановки насоса и отобрать пробы молока в процессе работы насоса для их лабораторного анализа.

Установка для определения динамического коэффициента позволяет найти соотношение результирующей силы, возникающей от потока молока в P рабочем колесе насоса, и абсолютной скорости потока, соответствующей произвольной частоте вращения вала насоса. Установка для определения нормального усилия N, позволяет определить допустимое значение усилия на жировые шарики, не приводящее к их травмированию.

План экспериментальных исследований состоял из трех циклов, каждый из которых включал две серии опытов. Первый цикл посвящен определению эксплуатационных параметров процесса перекачивания молока насосом. В первой серии опытов был определен динамический коэффициент пропорциональности k. Цель эксперимента – оценка значений динамического коэффициента k и определение оптимального значения коэффициента kопт, соответствующего номинальной частоте вращения вала насоса. Характер эксперимента – активный, однофакторный, лабораторный. Средство эксперимента – установка для определения динамического коэффициента k..

Вторая серия опытов посвящена определению нормального усилия N.

Цель эксперимента – определение оптимального значения Nопт, соответствующего нормальному закону распределения жировых частиц по размерным классам. Характер эксперимента – активный, однофакторный, лабораторный.

Средство эксперимента – установка для определения нормального усилия N.

Второй цикл посвящен исследованию влияния подсоса воздуха и конструктивно-геометрических параметров насосной установки на эффективность процесса перекачивания молока. В первой серии опытов определяли влияние конструктивно–геометрических параметров насосной установки на эффективность перекачивания молока. Цель эксперимента – определение оптимальных конструктивно-геометрических параметров насосной установки, обеспечивающих эффективность процесса перекачивания молока насосом. Характер эксперимента – активный, многофакторный, лабораторный. Средства эксперимента – стенд для испытания молочного насоса, устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко, устройство для заполнения молочного насоса. При планировании использовали матрицу полного факторного эксперимента 22. В качестве факторов выбрали внутренний диаметр всасывающего трубопровода d (Х1) и высота установки насоса от трубы молоковвода в молокосборнике h (Х2). В качестве откликов – основные характеристики насоса (напор Н (Y1), подача QН (Y2), к.п.д. (Y3), потребляемая мощность N (Y4), удельная мощность NУД (Y5)).

Во второй серии опытов определяли влияние подсоса воздуха на эффективность процесса перекачивания молока насосом. Цель эксперимента – оценка влияния процентного содержания воздуха в молоке на эксплуатационные параметры процесса работы насоса. Характер эксперимента – активный, однофакторный, лабораторный. Средства эксперимента – стенд для испытания молочного насоса, устройство для отбора проб молока, устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко, счетчик газа ротационный РС– 40–М.

Третий цикл посвящен исследованию влияния конструкций рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса и качество перекачиваемого молока. В первой серии опытов определяли влияние различных конструкций рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса. Цель эксперимента – оценка влияния конструктивных параметров рабочего колеса на эксплуатационные параметры процесса работы насоса. Характер эксперимента – активный, многофакторный, лабораторный. Средства эксперимента – стенд для испытания молочного насоса, устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко. Планирование эксперимента осуществляли по насыщенному плану Хартли на кубе, ядром плана являлась полуреплика 24-1. Факторами эксперимента являлись – углы установки лопастей на входе 1 (Х1) в колесо и выходе 2 (Х2) из колеса, полярный угол установки лопастей (Х3), число лопастей z (Х4). Откликами – основные характеристики насоса (Н (Y1), QН (Y2), N (Y3), к.п.д. (Y4)).

Во второй серии опытов определяли гидромеханическое воздействие оптимальной и серийной конструкций рабочих колес на качество перекачиваемого молока. Цель эксперимента – оценка влияния конструктивных параметров колеса насоса на физико-химические свойства молока. Характер эксперимента – активный, многофакторный, производственный. Средства эксперимента – стенд для испытания молочного насоса, устройство для отбора проб молока, устройство для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко, приборы и оснастка для лабораторного анализа молока. Таким образом, разработанные методики испытаний и расчетов позволили провести точную и качественную оценку эффективности процесса перекачивания молока насосом доильной установки.

С помощью авторской программы различные треки склеиваются в точках с одинаковыми производными, полученные наборы траекторий анализируются (рис. 11.) Рис.11. Траектории движения частиц.

на предмет особых (сингулярных) точек векторного пространства. Источник - это точка, из которой жидкость вытекает, а сток - точка, в которую она стекает.

На рис. 12 показаны некоторые из них. Точка типа 4а - сток, типа 4б - источник, в котором появляются частицы жидкости и начинают двигаться прочь от нее.

а б в г Рис.12. Особые точки потока (векторного пространства): а – сток, б - источник, в – седловая точка, г – завихрение.

На рис. 4в изображена седловая точка, которая образуется при столкновении встречных потоков, а на рис. 4г - завихрение (частицы движутся по окружностям с общим центром). Иногда потоки содержат гораздо более сложные сингулярности при столкновении не одного, а нескольких потоков. Это позволило сделать правильный выбор модели турбулентностей. Обработка опытных данных проводилась на ПЭВМ с комплектом программ Microsoft Office 2007 и Statistica 6.0.

В седьмой главе «АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» дана оценка полученных результатов экспериментальных исследований. В результате исследований по определению динамического коэффициента k получено двухмерное графическое представление зависимости коэффициента k от частоты вращения вала двигателя n, описываемое линейным регрессионным уравнением, имеющим вид:

k = 0,6487+ 0,1074n. (12) При определении оптимального значения kопт, соответствующего номинальной частоте вращения вала центробежного молочного насоса nН = 46,8об/с, использовали прогноз значений отклика. Полученное kопт = 5,685 подставили в выражение (10) и получили графическое представление траектории лопасти рабочего колеса (рис. 7а).

В результате исследований по определению нормального усилия N получено трехмерное графическое представление усилия N от размера жировых частиц d и частоты их распределения f по размерным классам (рис. 13), которое описывается нелинейным квадратичным регрессионным уравнением вида:

N = 0,0281 + 0,0004f - 0,0032d - 0,000034195f2 + 0,0002 df + 0,0002d2, (13) При определении оптимального значения усилия Nопт, соответствующего нормальному закону распределения жировых шариков по размерным классам (f=20…30%, d=3…4 мкм), использовали прогноз значений отклика. Полученное Nопт = 27,279.10-3 H подставили в выражение (10) и получили траекторию лопасти рабочего колеса (рис.7а).

В результате исследований по определению влияния конструктивногеометрических параметров насосной установки на эффективность процесса перекачивания молока насосом, которыми являлись внутренний диаметр всасы- Рис. 13. Результаты определения нормального усилия N.

вающего трубопровода d (Х1) и высота установки насоса от трубы молоковвода в молокосборнике h (Х2), были получены выражения для определения основных характеристик насоса (напор Н (Y1), подача QН (Y2), к.п.д. (Y3), потребляемая мощность N (Y4), удельная мощность NУД (Y5)), представляющие семейство уравнений линейной регрессии:

Y1= -2,891+241,794X1+1,018X2, (14) Y2= 0,09+102,254X1+0,49X2, (15) Y3= -0,082+4,826X1+0,025X2, (16) Y4= 0,362+9,058X1-4,996 10-16X2, (17) Y5= 0,295-2,978X1-0,03X2 (18) Из полученных выражений (14) – (18), определили оптимальные значения конструктивно-геометрических параметров насосной установки: X1 = 0,038 м, X2 = 0,7 м. В результате исследований по определению влияния подсоса воздуха на эффективность процесса перекачивания молока насосом, было получено семейство уравнений линейной регрессии, показывающие зависимости между откликами (напор Н(Y1), мощность N(Y2), коэффициент полезного действия (Y3)) и факторами (подача Q(X1), содержание воздуха в молоке Wв (X2)):

Y1 = -2,020 + 1,793X1- 0,017X2, (19) Y2 = 0,480 + 0,045X1- 0,002X2, (20) Y3 = -0,070 + 0,042X1 + 0,001X2, (21) При построении графика зависимости напора Y1 от содержания воздуха в молоке X2, с помощью программы Statistica 6.0 была получена система уравнений, описывающая левую и правую «ветви» кривой H=f(Wв) (рис. 14), относительно точки А (7,855; 1,043).

Y1=7,115e -0,245X2, при X2 7,855% Y1=4,714 – 4,101log X2, при 7,855 < X2 100% (22) Рис. 14. Графическая зависимость напора от содержания воздуха в молоке.

В результате найдены минимальные значения основных параметров насоса, при которых обеспечивается напорное движение молока (Y13м), для его доставки в молокохранительную емкость. Эти значения составляют: X1=2,833м3/ч, X2=3,525%, Y1=3м, Y2=0,6 кВт, Y3=0,053.

В результате исследований по определению влияния различных конструкций рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса, были получены графические зависимости, представляющие попеременное изменение основных характеристик насоса – откликов (расход Q(Y1), напор H(Y2), мощность (Y3), к.п.д. (Y4), удельная мощность Nуд(Х5)) от каждого из факторов (углы установки лопастей на входе 1(X1) в колесо и выходе 2(Х2) из колеса, полярный угол установки лопастей (Х3), число лопастей Z(X4)). Эти зависимости носят нелинейный характер, поэтому имеем семейство уравнений не линейной регрессии:

Y1 = 4,023 - 2,363. X12 +0,560. X2 +0,013. X42, (23) Y2 = -1,321 + 3,729. X4 -0,377. X42 +0,857. X22, Y3 = 0,733 + 0,221. X22, (24,25) Y4 = – 0,025 + 0,058. X4 – 0,0056. X42, Y5 = 0,275 + 0,991. X12 – 0,613. X1, (26,27) Критерием оптимизации являлась удельная мощность Y5. Анализируя полученные графические зависимости (рис. 9) удельной мощностной характеристики насоса от каждого фактора X1-X4, были получены их оптимальные значения: X1 = 30о, X2 =14о, X3 = 60о, X4 = 6, и соответствующие им значения откликов: Y1= 4,419 м3/ч., Y2= 9,274 м., Y3=0,706 кВт, Y4=0,163, Y5=0,16 кВт/(м3/ч).

а б в г Рис. 9 - Влияние конструктивных параметров колеса на удельную мощностную характеристику насоса: а - угла 1, б - угла 2, в - угла , г - числа лопастей z.

В результате исследований по определению гидромеханического воздействия оптимальной и базовой конструкций рабочих колес на качество перекачиваемого молока насосом дана оценка экономических параметров процесса по двум критериям (группам потерь) оптимизации: травмируемость жира и поQ тери жира.

v Для сравнительной оценки влияния оптимальной и базовой конструкций рабочих колес на величину потерь жира, построена гистограмма (рис. 10) распределения жировых шариков молока по размерным классам.

Выявлено, что снижение потерь первой группы от применения оптимальной конструкции рабочего колеса, по сравнению с базовой, составило v =2,594%. В пересчете на жирность происходит увеличение содержание жира в молоке на 0,0825%.

Рис. 10. Гистограмма распределения жировых шариков молока.

Снижение потерь второй группы - составило = 6,29%. В пересчете на Q жирность произошло увеличение содержания жира в молоке на 0,2%. В итоге, общее увеличение жирности молока, в результате внедрения оптимального рабочего колеса, составило 0,283%.

Изменение формы внутренней поверхности поворота изменяет поле скоростей частиц жидкости (рис.11). Динамика изменения величины скорости различных точек сечения по длине молокопровода показана графиками состоящими из точек чрного цвета. Хорошо просматриваются зоны где интенсивность образования загрязнений больше, где меньше. В первом случае (радиус поворота не изменяется) скорость частицы возрастает до 2,86 м/с, во втором (радиус кривизны уменьшается) – до 3,23 м/с и в третьем (радиус кривизны возрастает)– до 6,81м/с. Причм одна и та же частица принимает минимальные и максимальные V, м / с 2. 0.2 0.1 0 0.1 0.2 м а) V, м / с 3. 0.2 0.1 0.1 0.2 м б) V, м / с 6. м 0.2 0.1 0 0.1 0. в) Рис. 11. Распределение скоростей в повороте трубопровода в зависимости от вида его исполнения. а – радиус кривизны не меняется, б – радиус кривизны увеличивается, в – радиус кривизны уменьшается.

значения скоростей многократно. Как следствие неравномерно происходит и отложение загрязнений, при промывке для разных участков следует затрачивать турбулентные потоки моющего раствора различной интенсивности, жировая частица воспринимает значительную механическую нагрузку. Все численные эксперименты проводились с числом итераций равным 140 (рис. 12). При этом, как правило, коэффициенты моделей и значения расчетных параметров сходились уже при 15… 20 итерациях.

Рис. 12. Изменение погрешности численного моделирования в зависимости от числа итераций.

В восьмой главе «РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ» описана методика расчета и проведен расчет экономической эффективности внедрения экспериментальных образцов.

Годовой экономический эффект по критерию прироста прибыли, от внедрения экспериментальных образцов, в расчете на 400 коров со среднегодовой продуктивностью 3467,5 кг/год составил 140000 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Проблема обеспечения качества малока при машинном доении коров является актуальной не только для крупных сельскохозяйственных предприятий, но и для фермерских хозяйств. Это обосновало необходимость поиска новых решений проблемы с разработкой методологии исследований для различных жизненных циклов технического объекта, позволяющих обеспечить минимальное механическое воздействие на молоко, улучшить режимы санитарной обработки доильного оборудования, гарантировать стабильность параметров системой их контроля, то есть создать эффективный процесс машинного доения сельскохозяйственных животных.

2. Математическая модель пространственно-временных картин движений и взаимодействий гидродинамических потоков в проточных частях доильных установок базируется на основном принципе динамики с численным решением системы уравнений Навье-Стокса и двух дополнительных уравнений, описывающих перенос кинетической энергии турбулентности и скорости е диссипации. Эта модель позволяет решать задачу формирования поверхностей взаимодействующих с молоком и моющим раствором с учетом взаимодействия частиц между собой и с поверхностями доильно-молочного оборудования. В первом приближении исследовались k-e модели турбулентности. Константы k – модели С = 0.09, С 1 = 1.44, С 2 = 1.92, k = 1.0, = 1.3 обеспечивают лучшую сходимость численного моделирования.

3. В результате проведенных численных расчетов с помощью открытого пакета Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation) была получена картина движения потоков, а с помощью разработанных алгоритмов учтено воздействие лопатки молочного насоса на жировую частицу. Получены поля скоростей и давлений в объеме и на характерных плоскостях внутри конструкции, кинетической энергии турбулентности и скорости е диссипации. При числе итераций в опытах большем 140 обеспечивалась погрешность численного моделирования меньше 1%.

4. При определении эксплуатационных параметров процесса перекачивания молока насосом были найдены оптимальные значения параметров: динамический коэффициент пропорциональности для математической модели kопт = 5,685; сила нормального давления Nопт = 27,279.10-3 Н, соответствующая нормальному закону распределения жировых шариков по размерным классам (f = 20…30%, d = 3…4 мкм). Подставленные оптимальные значения параметров в уравнение математической модели взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком, позволили получить форму лопасти колеса, обеспечивающую перемещение жировых шариков в потоке молока без травмирования.

5. При исследовании влияния конструкций рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса, получено семейство уравнений не линейной регрессии, найдены оптимальные конструктивные параметры рабочего колеса: углы установки лопастей на входе в колесо – 30о и выходе – 14о, полярный угол установки лопастей – 60о, число лопастей – 6. При этом основные параметры насоса имеют значения: расход – 4,42 м3/ч., напор – 9,27 м., мощность – 0,7106 кВт, к.п.д. – 0,16, удельная мощность – 0,16 кВт/(м3/ч).

6. Разработаны частные методики технические средства для их реализации: определения динамического коэффициента пропорциональности; определения предельного усилия на жировой шарик; определения интенсивности турбулентностей в конкретных сечениях; определения набора сингулярных точек в сечениях; определения стабильности разрежения в неблагоприятной точке; определения влияния параметров пробкового режима движения на физикомеханические свойства молока.

7. Созданы предпосылки для выработки критериев формирования форм поверхностей проточных частей доильной установки по согласованию параметров потока молоковоздушной смеси и моющего раствора и использование этих критериев для совершенствования системы контроля за чистотой деталей доильных установок и проектирования новых форм деталей доильных установок взаимодействующих с молоком и моющим раствором с учетом нагрузки на жировой шарик.

8. Запатентованные средства: контроля параметров чистоты молочной линии и параметров, параметров влияющих на динамику образования загрязнений и их удаления; для создания переменного расхода воздуха с заданными вероятностными характеристиками и моделирования различных режимов движения жидкости; стенды для проведения исследований и испытаний создали базовую платформу их дифференциации и дальнейшего совершенствования процесса машинного доения коров.

9. Использование разработанных мероприятий на доильных установках позволяет сократить затраты труда оператора на операциях очистки его от загрязнений на 11 % в сравнении с традиционной мойкой, увеличить качество промывки доильно-молочного оборудования и обеспечить повышение сортности сдаваемого молока в среднем на 5%, при этом расход моющей жидкости в год от одной системы промывки установки с линейным молокопроводом снизится на 28%, а потребление электроэнергии на 30% при обеспечении качественной промывки. Годовой экономический эффект от внедрения полученных результатов составил 140000 рублей 400 коров.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК 1. Ушаков, Ю.А. Повышение эффективности вакуумной линии доильной установки / Ю.А. Ушаков // Техника в сельском хозяйстве. – 1997. - №4.

– С. 19-20.

2. Ушаков, Ю.А. Генератор переменного расхода воздуха с плавно изменяющейся функцией распределения. / С.А. Соловьв, Ю.А. Ушаков, А.Я.

Пушко // Техника в сельском хозяйстве. – 1995. – N4. с.15…17.

3. Карташов, Л.П. Математическое моделирование взаимодействия молока с поверхностями деталей доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А.

Ушаков, А.В. Колпаков, А.С. Королев // Техника в сельском хозяйстве. – 2008. - №4. – С. 10-13.

4. Ушаков, Ю.А. Где и как теряется молочный жир / А.В. Колпаков, Ю.А. Ушаков // Сельский механизатор. 2008. - №6. – С. 35.

5. Карташов, Л.П. Экспериментальное исследование процесса промывки внутренней поверхности молокопровода / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.С. Королв // Известия ОГАУ. № 1(21). – Оренбург: ОГАУ, 2009. – С. 9798.

6. Ушаков, Ю.А. Качество молока в зависимости от санитарного состояния доильного оборудования / Ю.А. Ушаков, А.А. Панин // Известия ОГАУ. № 1(21). – Оренбург: ОГАУ, 2009. – С. 99-100.

7. Карташов, Л.П. Обеспечение высокого санитарногигиенического состояния внутренней поверхности криволинейных участков молокопровода / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, Г.П. Василевский // Известия ОГАУ. № 3(23). – Оренбург: ОГАУ, 2009. – С. 78-80.

8. Карташов, Л.П. Методика исследования процесса работы молочного насоса доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. № 03(12). – Саратов: СГАУ, 2010. – С. 38-41.

9. Карташов, Л.П. Методики определения коэффициентов модели вычислительного эксперимента с целью получения оптимальной формы рабочего колеса молочного насоса / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков // Известия ОГАУ. № 1(25). – Оренбург: ОГАУ, 2010. – С. 76-79.

10. Ушаков, Ю.А. Результаты исследования изменения качества молока при использовании усовершенствованного молочного насоса / Ю.А. Ушаков // Известия ОГАУ. № 3(31). – Оренбург: ОГАУ, 2011. – С. 27-30.

11. Карташов, Л.П. Результаты экспериментальных исследований вакуумной системы доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Вестник Оренбургского государственного университета. -№6. – Оренбург: ОГУ. 2011. – С. 35-39.

12. Карташов, Л.П. Критерии формирования поверхностей взаимодействующих с молоком и моющим раствором / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. №3. – 2011. – С. 43-47.

13. Карташов, Л.П. Влияние траектории поворота молокопровода на гидродинамические показатели потока молока / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Вестник РАСХН. – 2011. - №5. – С. 14-18.

14. Ушаков, Ю.А. Численное моделирование гидродинамического потока в молокопроводе доильной установки / Ю.А. Ушаков // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2011. - №4. - С. 85-89.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ 15. Свидетельство 2008610484 Российская федерация. Программа для моделирования процесса работы молочного насоса доильной установки / Л.П. Карташов, Т.М. Зубкова, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков, Ю.А. Азиатцев; заявитель и патентообладатель Оренбургский научный центр УрО РАН (RU). - Заявка № 2007613853; заявл. 28.09.2007; зарегистр. 25.01.08.

16. Свидетельство 2009616867 Российская федерация. Программа для математического моделирования испытаний гидродинамических профилей в лиофобных жидкодисперсных системах / Л.П. Карташов, Т.М. Зубкова, Ю.А.

Ушаков, А.В. Колпаков; заявитель и патентообладатель Оренбургский научный центр УрО РАН (RU). - Заявка № 2009615687; заявл. 13.10.09; зарегистр.

11.12.09.

Авторские свидетельства на изобретения, патенты на изобретения 17. А.с. 1042691 СССР, (51) МПК A01J 5/00. Устройство для контроля вакуума в вакуумной линии доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А.

Ушаков, Л.Я. Гущин; заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 3437185/ 30; заявл. 14.05.82; опубл. 23.09.83, Бюл.35.

18. А.с. 1061773 СССР, (51) МПК A01J 7/00. Устройство для имитации расхода воздуха доильными аппаратами, подключенными к источнику вакуума / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков; заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 3438120/ 30-15; заявл. 14.05.82; опубл. 23.12.83, Бюл.

№47.

19. А.с. 1261588 СССР, (51) МПК A01J 7/00. Устройство для проверки работы вакуумной линии доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, Б.С. Махмутов, В.А. Кабанов; заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 3844144/ 30-15; заявл. 17.01.85; опубл. 07.10.86, Бюл. 37.

20. А.с. 1230555 СССР, (51) МПК A01J 5/00. Информационноизмерительный прибор для доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков;

заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 3756914/ 3015; заявл. 15.05.84; опубл. 15.05.86, Бюл. №18.

21. А.с. 1695856 СССР, (51) МПК A01J 5/00, A01J 7/00. Стенд для исследования элементов вакуумной системы / Л.П. Карташов, И.А. Бунин, Ю.А.

Ушаков; заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 4794818/ 15; заявл. 20.11.89; опубл. 07.12.91, Бюл. №45.

22. А.с. 1748754 СССР, (51) МПК A01J 5/00. Устройство для определения степени загрязненности вакуумпровода доильной установки / С.А. Соловьев, Ю.А. Ушаков, Ю.И. Коровин; заявитель Оренбургский сельскохозяйственный институт (SU). - № 4851602/ 15; заявл. 03.05.90; опубл. 23.07.92, Бюл. № 27.

23. Пат. 2094982 Российская Федерация, (51) МПК A01J 7/00. Вакуумная линия доильной установки / Л.П. Карташов, С.А. Соловьев, Ю.А. Ушаков, С.В. Сабчук; заявитель и патентообладатель Оренбургская сельскохозяйственная академия (RU). - № 95113005/ 13; заявл. 25.07.95; опубл. 10.11.97, Бюл. № 31.

24. Пат. 2099936 Российская Федерация, (51) МПК A01J 7/00. Способ диагностирования негерметичности молокопроводов доильных установок / Н.А. Барсов, И.А. Бунин, В.И. Квашенников, В.И. Сусликов, С.В. Сабчук, В.И.

Сусликов, Ю.А. Ушаков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 96100715/ 13(001319);

заявл. 11.01.96; опубл. 27.12.97, Бюл. № 31.

25. Пат. 2099937 Российская Федерация, (51) МПК A01J 5/00, A01J 7/00. Имитатор расхода воздуха / Л.П. Карташов, С.А. Соловьев, Ю.А. Ушаков, А.Я. Пушко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 96101223/ 13; заявл. 16.01.96; опубл.

27.12.97, Бюл. № 31.

26. Пат. 2321773 Российская Федерация, (51) МПК F04D 9/00, G01M 15/00. Стенд для испытания молочного насоса / Л.П. Карташов, Ю.А.

Ушаков, В.А. Урбан, А.В. Колпаков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 2006119825/ 06;

заявл. 06.06.06; опубл. 10.04.2008, Бюл. № 10.

27. Пат. 2321774 Российская Федерация, (51) МПК F04D 9/00. Устройство для заполнения молочного насоса / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В.

Колпаков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 2006119888/06; заявл. 06.06.06; опубл.

10.04.08, Бюл. № 10.

28. Пат. 2348915 Российская Федерация, (51) МПК F04D 7/02, G01M 19/00. Устройство для испытания лопастей рабочего колеса центробежного молочного насоса / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU), Отдел биотехнических систем Оренбургского научного центра УрО РАН (RU). - № 2006147157/06; заявл. 28.12.2006; опубл. 10.03.09, Бюл. № 7.

29. Пат. 2378825 Российская Федерация, (51) МПК А01J 7/02. Устройство для контроля качества промывки молокопроводов доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.C. Королев; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 2008103423/12; заявл. 29.01.08; опубл. 20.01.10. Бюл. № 2.

30. Пат. 2390123 Российская Федерация, (51) МПК А01J 7/02. Универсальный стенд для исследования чистоты промывки молочной линии / Л.П.

Карташов, Ю.А. Ушаков, В.Д. Поздняков, А.C. Королев; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 2008103423/12; заявл. 21.11.08; опубл. 27.05.2010. Бюл. № 16.

31. Пат. 2390122 Российская Федерация, (51) МПК А01J 5/01 А01J 7/00. Стенд для исследования пробкового движения молока в молокопроводе / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.А. Панин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет (RU). - № 2008146174/12; заявл. 21.11.2008; опубл. 27.05.10. Бюл. № 15.

Публикации в других научно-технических изданиях, доклады на конференциях 32. Карташов, Л.П. Информационно-измерительные системы автоматов для машинного доения / Л.П. Карташов, И.К. Ольхова, Ю.А. Ушаков // Материалы 111 Всесоюзной конференции Роботы и робототехнические системы, ч.2. – Челябинск. – 1983. - С. 4…5.

33. Карташов, Л.П. Информационно-контролирующая система для доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // V1 Всесоюзный симпозиум по машинному доению сельскохозяйственных животных, ч.2. - Москва. - 1983. – С. 37…38.

34. Ушаков, Ю.А. Имитатор расхода воздуха доильными аппаратами / Ю.А. Ушаков // Поиск и творчество молодых в реализации продовольственной программы страны: V111 научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов сельского хозяйства (31 октября – 2ноября). - Куйбышев. – 1983. - С. 260…261.

35. Карташов, Л.П. Испытание вакуумной системы доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Тезисы докладов научно-технической конференции по методам и техническим средствам, применяемым при испытаниях сельскохозяйственной техники. АгроНИИТЭИИТО, М., 1988. – с.157.

36. Ушаков, Ю.А. Эффективность контроля вакуумного режима доильных установок. / Ю.А. Ушаков // Материалы V111 (1Всероссийского) симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных. - Оренбург. - 1995. – С.54.

37. Ушаков, Ю.А. Результаты экспериментальных исследований устройства для стабилизации вакуумметрического режима доильной установки. / Ю.А. Ушаков, С.В. Сабчук // Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 25-летию кафедры Механизация животноводства Оренбургского аграрного университета. – Оренбург. - 1995. – С. 32.

38. Ushakov, Yu. A. Problem of Vacuum Condition Stabilization in Milking Equipment and Technological Devices for its Solution. / Yu.A. Ushakov, S.V.

Sabchuk // Scientific Programme of YSTM’96 Moscow Symposia. – January 28 – February 2. – 1996. – S. 46…47.

39. Ушаков, Ю.А. К вопросу о повышении эффективности функционирования вакуумной линии доильной установки / Ю.А. Ушаков, А.Я. Пушко // Материалы V Международного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных. – Оренбург. - 1997. – С. 109-111.

40. Ушаков, Ю.А. Применение струйных вакуумных насосов для доильных установок / Ю.А. Ушаков, И.А. Бунин // Материалы международной научно-практической конференции. Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России (энергосбережение в сельском хозяйстве). - Москва. – 1998. – С.75-77.

41. Ушаков, Ю.А. Вакуумные насосы для доильных установок / Ю.А. Ушаков, И.В.Иванова, Т.А.Терновая // Материалы X Международного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока. – Москва. - 2002. – С. 121-127.

42. Ушаков, Ю.А. Оптимизация интервала квантования сигналов для диагностики состояния вакуумной линии доильной установки / Ю.А. Ушаков // Тезисы докладов научно-технической конференции по методам и техническим средствам, применяемым при испытаниях сельскохозяйственной техники.

АгроНИИТЭИИТО, М., 2003. – С.98.

43. Карташов, Л.П. Стенды для исследования взаимодействия молока с поверхностями деталей молочной линии доильной установки / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков // Материалы Международного симпозиума по вопросам машинного доения сельскохозяйственных животных. – Гомель: РУНИП «ИМСХ НАН Белоруссии», 2006. – С. 197-201.

44. Ушаков, Ю.А. Устройство для испытания лопастей рабочего колеса центробежного молочного насоса / Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков // Известия ОГАУ. № 4(12). – Оренбург: ОГАУ, 2006. – С. 82-83.

45. Карташов, Л.П. Стенд для испытания молочного насоса / Л.П.

Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков // Известия ОГАУ. № 2(10). – Оренбург:

ОГАУ, 2006. – С. 78-80.

46. Карташов, Л.П. Теоретические исследования и экспериментальная база для обеспечения качества молока / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В.

Колпаков // Научно-технический прогресс в животноводстве – машиннотехнологическая модернизация отрасли. Сборник научных трудов ГНУ ВНИИМЖ, том 17. ч.2– М.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2007.– С. 67-74.

47. Ушаков, Ю.А. Технические средства для обеспечения качества молока / Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков, А.С. Королев // Научно-технический прогресс в животноводстве – машинно-технологическая модернизация отрасли.

Сборник научных трудов ГНУ ВНИИМЖ, том 10. – М.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2007. – С. 67-75.

48. Карташов, Л.П. Результаты экспериментальных исследований процесса промывки молокопровода и методика их проведения / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.С. Королв // Материалы V Международного симпозиума по вопросам машинного доения сельскохозяйственных животных. – Углич. - 2008. – С. 158-164.

49. Ушаков, Ю.А. Некоторые вопросы обеспечения качества молока в молокопроводе доильной установки / Ю.А. Ушаков, А.А. Панин, А.С. Королв // Сб. докладов международной научно-технической конференции. Выпуск 10. – Оренбург: ОГАУ, 2009. – С. 75-87.

50. Ушаков, Ю.А. Совершенствование конструктивно-технической системы контроля состояния внутренней поверхности молокопровода доильной установки / Ушаков Ю.А., Панин А.А. // Машинотехнологическое обеспечение животноводства – проблемы эффективности и качества. Сборник научных трудов ГНУ ВНИИМЖ, том 21. ч.2– М.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2010.– С. 73-75.

51. Карташов, Л.П. Методы определения качества чистоты молочной линии доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Научные основы совершенствования механизированных технологий в животноводстве: к 40летию кафедры механизации животноводства Оренбургского ГАУ. – Оренбург:

Издательский центр ОГАУ, 2010. – С. 84-86.

52. Карташов, Л.П. Инженерные методы обеспечения качества молока / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков, А.В. Колпаков, А.С. Королев, А.А. Панин, Г.П. Василевский // Механізація та електрифікація сільського господарства. – Глеваха. - 2010. Вип. 84. – С. 26-29.

53. Карташов, Л.П. Формирование математической модели движения и взаимодействия частиц молока или моющего раствора в узлах доильных установок / Л.П. Карташов, Ю.А. Ушаков // Механізація та електрифікація сільського господарства. – Глеваха. - 2010. Вип. 84. – С. 30-35.

Ушаков Юрий Андреевич ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА МОЛОКА Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.