Обґрунтування параметрів аналізатора жирності молока відцентрового типу

Размещено на http://allbest.ru

Національний аграрний університет

05.05.11 - Машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів аналізатора жирності молока відцентрового типу

Шолудько Ярослав Васильович

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Львівському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Сиротюк Валерій Миколайович, Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри механізації тваринництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фененко Анатолій Іванович, Національний науковий центр “Інститут механізації і електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, завідувач відділу механізації заготівлі кормів і виробництва молока;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Ясенецький Володимир Антонович, Український центр випробування техніки та технологій сільськогосподарського виробництва, завідувач відділу Тваринництво

Провідна установа: Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя

Міністерства освіти і науки України, кафедра технічної

механіки і сільськогосподарського машинобудування, м. Тернопіль

Захист відбудеться 20.05.2003 року о_13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41 вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, кім.41.

Автореферат розісланий 18.04.2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Войтюк Д. Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. оптимальне керування виробничими процесами молочного тваринництва неможливе без отримання об'єктивної та оперативної технологічної інформації про якість виробленої продукції.

Одним із важливих показників якості молока є його жирність. Визначення жирності молока як від окремої тварини, так і від стада в цілому дає можливість оперативно корегувати технологічні параметри і програмувати якість продукції. Інформація про жирність молока дозволяє оптимізувати раціон годівлі кожної тварини, враховуючи індивідуальні фізіологічні особливості та характер відгуку окремих тварин на зовнішні чинники. Особливої актуальності згадані питання набувають за умови застосування автоматизованої системи управління технологічним процесом (АСУ ТП) виробництва молока.

Існуючі методи визначення жирності молока за низкою ознак, зокрема оперативністю надходження інформації та її якістю, не відповідають умовам сумісної роботи з АСУ ТП. тема дисертаційного дослідження присвячена пошукові нових методів та технічних засобів контролю якості продукції, які відповідали б вимогам сучасних систем виробництва та управління якістю молока.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до національної програми науково-дослідної роботи в галузі аграрного виробництва, зокрема проекту “Ферма-автомат майбутнього” (“ФАМ-800”), науково-технічної програми “Технології та комплекси машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва”, зокрема п.1.1.6 “Розробка ресурсоощадних технологічних процесів та систем типорозмірних рядів машин і обладнання для ферм по виробництву молока в реформованих господарствах”, і є складовою частиною комплексної теми досліджень факультету механізації сільського господарства Львівського ДАУ “Розробка, впровадження енергозберігаючих механізованих процесів, технологій і систем аграрного виробництва та технічних засобів їх реалізації”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності системи виробництва молока шляхом оперативного корегування технологічних параметрів на основі інформації про жирність молока кожної тварини, одержаної за допомогою аналізатора жирності, обґрунтування його типу, режимів вимірювання та параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

розробити гідродинамічну модель процесу розділення молока на вершки і відвійки в порожнині обертового диска;

визначити взаємозв'язок між геометричними, кінематичними й енергетичними параметрами та режимами роботи аналізатора;

експериментально встановити кореляційний зв'язок між об'ємом відцентри- фугованих і упакованих жирових кульок та жирністю молока;

виявити характер та кількісний вплив індивідуальних фізіологічних факторів тварин на метрологічні характеристики процесу вимірювання жирності молока; аналізатор жирність молоко

здійснити техніко-економічний аналіз дисертаційного дослідження.

Підготовити та передати результати дисертаційних досліджень для впровадження у виробництво.

Об'єктом дослідження є процес розділення молока на вершки і відвійки у відцентровому полі та аналізатор жирності молока відцентрового типу.

Предметом дослідження є виявлення взаємозв'язків між параметрами та режимами процесу розділення молока на вершки і відвійки та обґрунтування конструкції аналізатора жирності відцентрового типу.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладено основні закони гідродинаміки, аеродинаміки і механіки. Дослідження теоретичних моделей проводилося з використанням інформаційних технологій.

В експериментальних дослідженнях використані методи випадкового балансу (відсівний експеримент), планованого експерименту та кореляційного аналізу. Статистична обробка результатів дослідження проводилась з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновано новий метод та пристрій для визначення жирності молока, що ґрунтується на розділенні молока на вершки і відвійки шляхом його центрифугування в порожнині обертового диска та утворення кільця відцентрифугованих вершків, об'єм яких корелює з жирністю молока. покази вимірювання зчитуються під час замірів з виведенням інформації на табло;

розроблено математичну модель процесу розділення молока на вершки і відвійки в порожнині обертового диска. Її розв'язок дозволив обґрунтувати основні геометричні, кінематичні та енергетичні параметри аналізатора жирності молока відцентрового типу;

встановлено кореляційний зв'язок між об'ємом відцентрифугованих і упакованих жирових кульок та жирністю молока.

Новизна технічних рішень, прийнятих при розробці аналізатора жирності молока захищена деклараційним патентом України на винахід №33766 А.

Практичне значення одержаних результатів. Впровадження аналізатора жирності молока відцентрового типу в складі АСУ ТП забезпечить управління технологічними параметрами виробництва молока, зокрема мінімізацію вартості кормового раціону і програмування жирності молока. Аналізатор може бути використаний і як автономний пристрій для визначення жирності молока.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень аналізатора жирності молока передано у ВАТ “Брацлав” для впровадження у виробництво.

Економічний ефект від впровадження запропонованого аналізатора жирності молока при одному замірі від однієї тварини (порівняно зі стандартним сірчанокислотним методом) становить 1грн.9коп. Річний економічний ефект при триразовому вимірюванні жирності молока за добу від однієї тварини становить 1194 грн.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. запропоновано метод визначення жирності молока та пристрій для його реалізації.

Проведено теоретичний аналіз процесу. Обґрунтовано кінематичні, конструктивні та енергетичні параметри аналізатора жирності молока відцентрового типу.

Розроблено методику експериментальних досліджень для виявлення основних закономірностей процесу упакування жирових кульок залежно від кінематичних параметрів аналізатора. Виготовлено експериментальну установку. Проведено експериментальні дослідження і встановлено кореляційний зв'язок між об'ємом відцентрифугованих і упакованих жирових кульок та жирністю молока.

Обґрунтовано ефективність впровадження аналізатора жирності відцентрового типу в АСУ ТП виробництва молока.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві працях складає 50%, у деклараційному патенті України на винахід - 20%.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були заслухані та обговорені на Міжнародній науково-практичній конференції “Механізація і автоматизація технологічних процесів у молочному скотарстві (Львів, 1999р.), Міжнародному науковому конгресі молодих вчених та студентів “Здоров'я села - здоров'я держави” (Львів, 2000р.), другому Всеукраїнському зльоті відмінників навчання та іменних стипендіатів вищих аграрних навчальних закладів “Лідери АПК XXI століття” (Львів, 2000р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (Мелітополь, 2001р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття” (Львів, 2001р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Еколого-економічні проблеми розвитку АПК” (Львів, 2002р.) та науково-звітних конференціях здобувачів та аспірантів Львівського ДАУ (1999 - 2001рр.).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 11 робіт, з яких одна стаття в науковому журналі, 7 статей у збірниках наукових праць, 2 - у матеріалах і тезах конференцій та 1 деклараційний патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 193 сторінках і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків, містить 14 таблиць (7 стор.), 68 рисунків (33 стор.). Список використаних джерел займає 10 стор. і включає 125 найменувань. 11 додатків займають 40 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, встановлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, подано коротку характеристику роботи.

У першому розділі проаналізовано існуючі методі і засоби визначення жирності молока, теоретичні підстави їх реалізації та досліджень. Визначено важливу роль досліджень А.Я.Вайнберга, П.Ф.Дьяченка, Ю.І.Посудіна, В.І.Костенка, А.П.Брусіловського, А.І.Кісільгофа, Н.П.Дружиніної, Г.С.Ініхова, Н.П.Бріо, Н.Н.Ліпатова, Н.В.Барабанщикова, Г.П.Савченка, П.В.Кугенєва, Г.Т.Гриценка, В.В.Кузнєцова, І.К.Петрова, Ю.В.Тоншева та інших.

На сьогоднішній день розроблено методи визначення жирності молока та молочних продуктів, які базуються на хімічних і фізичних принципах та реєстрації тих чи інших властивостей молока. На підставі аналізу та багатокритеріальної оцінки існуючих методів і засобів визначення жирності молока встановлено, що умовам виробництва молока із застосуванням АСУ ТП найбільшою мірою за критеріями корисності, затратності і своєчасності відповідає метод прямого центрифугування в порожнині обертового диска із синхронним зчитуванням інформації. Метод ґрунтується на безпосередньому визначенні об'ємної або масової частки жиру в молоці. Він належить до „прямих” методів, які дають більш достовірну інформацію порівняно з “непрямими”, що базуються на вимірюванні фізичних властивостей молочного жиру та молока.

Вимірювання жирності запропонованим методом здійснюється за допомогою жироміра, що виконаний у вигляді порожнистого диска, який обертається разом з молоком навколо своєї осі (рис.1), спричиняючи центрифугування проби молока.

Відцентрифугований жир відкладається у вигляді смужки, ширина якої залежить від жирності даної порції молока та вимірюється за допомогою оптико-механічної системи. Важливою перевагою запропонованого аналізатора є те, що замір жирності здійснюється під час обертання диска, що значно підвищує точність за рахунок зменшення меніска рідини відносно стінок диска. На підставі висновків до першого розділу сформульовані завдання досліджень.

У другому розділі - “Теоретичні дослідження аналізатора” - проведено моделювання процесу руху молока у відцентровому полі диска, обґрунтовано основні режими роботи та параметри аналізатора.

Дослідження розподілу швидкостей молока в аналізаторі (рис.2) проведено на основі рівнянь Нав'є-Стокса в циліндричних координатах та рівняння нерозривності потоку:

(1)

(2)

(3)

,(4)

де r, , z - радіальна, тангенціальна й аксіальна компоненти швидкості, м/с;

- густина, кг/м3; p - тиск, Па; - кінематична в'язкість, м2/с;

- оператор Лапласа.

Оскільки описана модель має аксіальну симетрію, то всі похідні по куту зникають. Розв'язок рівнянь будемо шукати у вигляді:

(5)

де - безрозмірне відношення;

(6)

- кутова швидкість обертання диска, рад/с;

F, G, H і P - невідомі функції які мають вигляд:

(7)

(8)

(9)

де A, B, a, b, і - сталі члени рівнянь.

Враховуючи граничні умови для нижньої поверхні порожнини (z=0) в циліндричних координатах (r, , z), при = 0 одержано формальний розклад, що задовольняє рівняння і граничні умови при малих у вигляді:

(10)

(11)

.(12)

При цьому товщина гідродинамічного пограничного шару дорівнює:

(13)

де n - частота обертання диска аналізатора, с-1.

У границях шару істотно змінюються радіальна і тангенціальна компоненти швидкостей молока. На поверхні порожнини z = 0 тангенціальна швидкість має максимальне значення, а при віддаленні від неї вона зменшується і поза пограничним шаром 0 прямує до нуля. Радіальна складова r швидкості плазми на поверхні порожнини дорівнює нулю, а при віддаленні від поверхні зростає, набуваючи максимального значення на поверхні, близькій до = 1.

З аналізу виразу (13) видно, що товщина пограничного шару залежить від кінематичної в'язкості молока і частоти обертання диска.

Для якісного аналізу жирності необхідно, щоб розділення молока відбувалось рівномірно у товщині шару. В диску аналізатора така рівномірність досягається при рівних швидкостях молока по висоті порожнини. як показали результати моделювання товщини пограничного шару 0 залежно від частоти обертання n і температури молока, рівномірність швидкості руху молока по висоті для кутових швидкостей, менших за 103 рад/с, забезпечується при висоті порожнини, не більшій

1 мм. Таким чином, зменшення висоти порожнини зменшує час розділення молока.

Дослідження показали також, що 90% молочного жиру зосереджено в кульках, діаметр яких є в межах (28)10-6 м. У жирових кульках діаметром до 210-6м міститься менше 4% від загальної маси молочного жиру і для практичних вимірювань ними можна знехтувати.

Під дією відцентрового прискорення жирові кульки рухаються в плазмі молока до осі обертання барабана зі швидкістю Стокса (к), на яку впливають два конструктивні фактори: число обертів n і радіуси порожнини R0 та R1 в якій рухаються жирові кульки. Оскільки кулька рухається до осі обертання і величина r зменшується, то зменшується і швидкість.

Час d, за який жирова кулька проходить елементарну відстань dr, дорівнює:

(14)

де к - швидкість руху жирової кульки, яка знаходиться на відстані r від осі обертання, м/с; d - діаметр жирової кульки, м; n - частота обертання диска, с-1; м і ж - густина плазми молока і жирової кульки, кг/м3; - динамічна в'язкість молока, Пас.

Час, за який жирова кулька переміститься з периферії порожнини диска до його центра, виходячи з виразу (14), дорівнює:

(15)

Дослідження часу руху кульок різного діаметра залежно від частоти обертання диска аналізатора, динамічної в'язкості молока, густини молока і молочного жиру та співвідношення геометричних розмірів порожнини диска аналізатора показало, що при частоті обертання диска меншій 5000 хв-1, час руху жирової кульки дуже великий. отже, у конструкції аналізатора потрібно передбачити частоту обертання диска n 5000 хв-1.

З аналізу залежності (15) видно, що значення радіуса (R0) внутрішньої кільцевої стінки порції молока, що обертається, повинно бути більшим від нуля. Оперативність вимірювання жирності досягається при відношенні радіусів порожнини в діапазоні 0 lnR1/R0 1,5. при цьому чим нижче значення lnR1/R0, тим час руху кульки менший, а отже, і менший час вимірювання. Слід зазначити, що зі збільшенням радіуса R0 зменшується точність вимірювання, оскільки зменшується ширина смужки lсм.

Дослідження показали, що використання порцій молока з об'ємами 15 і 20 мл супроводжується збільшеними значеннями радіусів порожнини диска аналізатора. Застосування вказаних проб молока також є недоцільним, оскільки при раціональних співвідношеннях радіусів lnR1/R0 значення R0 є великими, що знижує точність вимірювання.

Щодо проб молока об'ємом 5 і 10мл, то аналіз графіка показує, що діапазону раціонального співвідношення розмірів та найменшому при цьому діаметру R0 відповідають наступні геометричні параметри порожнини диска: для проби 5мл -

R1 = 41мм, при цьому R0 = 9,42 мм, lnR1/R0 = 1,47; для проби 10мл - R1 = 58мм, при цьому R0 = 13,39мм, lnR1/R0 = 1,47.

При обертовому русі молоко, що знаходиться в порожнині диска аналізатора, спричиняє значний тиск на його корпус. Внаслідок цього виникають значні напруження та деформація стінок диска аналізатора жирності. Напружений стан додатково виникає також від дії відцентрової сили обертання самого диска. Як наслідок, геометрія робочого органа може змінюватись, що знизить точність вимірювання, а за критичних режимів роботи диск може зруйнуватись.

Розглянемо конструкцію диска аналізатора жирності молока, враховуючи, що диск достатньо тонкий і внаслідок цього напруження по його товщині не змінюються, а в напрямках, паралельних до осі обертання, взагалі відсутні (z = 0). У такій постановці задача про визначення напружень належить до так званих плоских задач теорії пружності, а саме до задач плоского напруженого стану.

Торцеві стінки диска навантажені силами, паралельними їхній серединній поверхні і рівномірно розподіленими по їхній товщині. Така модель відповідає напружено-деформованому стану круглого диска з отвором, що обертається зі сталою кутовою швидкістю (рис.5).

Дослідження напруженого стану, зумовленого відцентровими силами самого диска, показало, що розрахунок конструкції жироміра на міцність необхідно проводити, виходячи з умов міцності, в кільцевій зоні, де напруження, що виникають у торцевій та периферійній стінках (r = R1) будуть додаватись. Сумарні тангенціальні напруження в даній зоні будуть дорівнювати:

(16)

Проведені дослідження показали, що радіальні напруження в кільцевій зоні будуть присутні лише на верхній торцевій стінці (r = R1):

(17)

Під час роботи аналізатора молоко в порожнині рівномірно розподіляється у вигляді кільця з внутрішнім радіусом R0 і зовнішнім R1. Внаслідок відцентрових сил молока створюється тиск у порожнині P, який змінюється залежно від відстані до осі обертання і від дії якого додатково виникає напружено-деформований стан диска. Тиск молока на відстані r від осі обертання, що припадає на одиницю площі:

(18)

Звідси (19)

Тангенціальні напруження, викликані тиском молока, набувають найбільшого значення на внутрішній поверхні r = R1 і рівні:

(20)

Радіальні напруження приймають найбільші значення при r = R1 і рівні:

(21)

Тиск, що діє на торцеві стінки диска аналізатора, зумовить виникнення осьових напружень z в периферійній стінці, які рівномірно розподілені по товщині:

(22)

Під дією тиску молока (19) верхня і нижня стінки диска будуть прогинатися. Від прогину W залежать і напруження, які виникають у пластинці, а також точність вимірювання. Оскільки верхня та нижня стінки порожнини виготовлені суцільно з боковою поверхнею, то для знаходження напружено-деформованого стану стінок порожнини, змоделюємо їх круглими пластинками, що защемлені по краю r = R1 і перебувають під дією розподіленого навантаження q, яке діє перпендикулярно до площини пластинки і є симетричним відносно осі обертання.

Максимальний прогин торцевих стінок, як показали дослідження, буде в центрі пластинки (r = 0):

,(23)

де Е - модуль Юнга, Па; - коефіцієнт Пуассона.

Максимальний прогин верхньої та нижньої стінки порожнини диска суттєво залежить від радіуса порожнини R1 та частоти обертання .

Прогин буде залежати і від матеріалу, з якого виготовлений диск. Оптимальними матеріалами для виготовлення диска аналізатора є поліметилметакрилати марок “Э-2” і “Т2-55”, які характеризуються достатньою прозорістю (при товщині, більшій за 10мм, прозорість становить близько 90%) та міцністю. Для забезпечення точності вимірювання жирності молока необхідно щоб прогин верхньої та нижньої стінок порожнини був мінімальним, або взагалі відсутнім. Дослідження показали, що для вибраних матеріалів необхідна товщина стінок диска аналізатора, не менша 10мм. При меншій товщині стінок їхні прогини повинні були механічно обмежені.

Під час деформації стінок порожнини диска додатково виникає напружений стан, а саме максимальне напруження r виникає на контурі пластинки (r = R1), де воно буде дорівнювати:

(24)

а тангенціальне напруження на контурі (r = R1), рівне:

(25)

Виходячи з гіпотези найбільших дотичних напружень для кутових точок порожнини проведемо розрахунок на міцність:

;(26)

(27)

Одержано умову міцності диска аналізатора у вигляді:

(28)

де - дійсне напруження на розтяг; - допустиме напруження на розтяг.

Виходячи з умови міцності допустима частота обертання диска дорівнює:

(29)

Виходячи з допустимої частоти обертання диска допустимий зовнішній радіус диска аналізатора:

.(30)

Дослідження енергетичних параметрів аналізатора жирності показало, що найбільша потужність затрачається на розгін диска до робочих обертів:

(31)

де - густина матеріалу; h - товщина диска; h1 - висота порожнини; h2 - товщина верхньої стінки порожнини диска.

При запуску диска аналізатора між його внутрішніми поверхнями і молоком виникає відносний рух. Наслідком цього руху є поява в'язких напружень, які зумовлюють рух молока разом з корпусом аналізатора. Одержана потужність, яка необхідна для подолання гідравлічного опору молока, буде дорівнювати:

(32)

де - кінематична в'язкість молока; м - густина молока.

Диск, що обертається, приводить в рух значну масу нерухомого повітря, а це у свою чергу супроводжується аеродинамічним опором і вимагає підведення додаткової потужності, яка для диска з плоскою кришкою і дном дорівнює:

,(33)

де - коефіцієнт аеродинамічного опору; п - густина повітря, кг/м3

(п = 1,21,3 кг/м3).

Таким чином, сумарна споживана потужність при роботі аналізатора жирності молока:

(34)

Проведені теоретичні дослідження показали, що при зростанні частоти обертання диска аналізатора жирності молока зменшується час руху жирової кульки, а отже, і зменшується час вимірювання. Слід зазначити, що при частоті, меншій за 6000 хв-1 час розділення суттєво зростає. Проте із збільшенням частоти обертання збільшуються напруження в конструкції диска та зростає потужність, необхідна для приводу диска аналізатора. Отже, для ефективної роботи аналізатора та оперативного аналізу жирності молока необхідно проводити вимірювання в діапазоні частоти обертання диска 6000 8000 хв-1. При цьому достатній час для проведення вимірювання становить 3 хв.

У третьому розділі - “Програма і методика експериментальних досліджень” -подано програму та методику експериментальних досліджень.

З метою доповнення та експериментальної перевірки теоретичних досліджень і у зв'язку з тим, що деякі процеси не підлягають точному аналітичному розв'язку, програмою експериментальних досліджень передбачено вирішення наступних основних задач: встановлення кореляційного взаємозв'язку між об'ємом відцентрифугованих і упакованих жирових кульок і фактичної жирності молока; дослідження основних факторів, які впливають на функціональний взаємозв'язок упакованих жирових кульок та фактичною жирністю молока (кінематичні параметри аналізатора, вплив індивідуальних особливостей тварин та добових фізіологічних циклів); встановлення впливу визначальних параметрів на точність вимірювання жирності молока; дослідження метрологічних характеристик аналізатора жирності та перевірка його роботоздатності у виробничих умовах.

Для вирішення поставлених завдань розроблена методика встановлення кореляційного взаємозв'язку між об'ємом відцентрифугованих жирових кульок та фактичною жирністю молока, наведені методики відсівного і планованого повнофакторного експериментів та послідовність дослідження метрологічних характеристик аналізатора.

У четвертому розділі - “Результати експериментальних досліджень” - встановлена кореляційна залежність між об'ємом відцентрифугованих та упакованих жирових кульок і фактичною жирністю молока, яка відображається коефіцієнтом співвідношення (К):

(35)

де Rmax - максимальний радіус кільця упакованих жирових кульок, мм; Rmin - мінімальний радіус кільця упакованих жирових кульок, мм; h - висота кільця упакованих жирових кульок, мм; Жф - фактична жирність молока, %; Vм - об'єм порції молока, яку вміщує робочий орган - жиромір, мм3.

У зв'язку з тим, що жирність молока визначається фізіологічними особливостями окремої тварини, умовами утримання, раціоном годівлі та іншими чинниками, то виникає необхідність у дослідженні впливу зазначених факторів на процес вимірювання жирності молока запропонованим аналізатором. Для вирішення поставленої задачі був використаний відсівний експеримент методом випадкового балансу.

З діаграми рівня значимості факторів, виділених методом випадкового балансу за критерієм Ст'юдента, видно, що фактори х1 - частота обертання диска аналізатора та х2 - час проведення вимірювання, є значимими із 95%-ною вірогідністю. Вплив решти факторів (х3 - температура досліджуваного молока, х4 -порода тварини, х5 - добові фізіологічні цикли (період доїння), х6 - час відбору порції молока), як бачимо з наведеної діаграми, є малозначимим.

Для встановлення впливу визначальних факторів був проведений повний двофакторний планований експеримент на трьох рівнях типу 3к (к - число факторів) за відомою методикою. В результаті встановлено рівняння регресії для розрахунку коефіцієнта взаємозв'язку між об'ємом відцентрифугованих вершків і жирністю молока залежно від часу вимірювання та частоти обертання диска:

(36)

Значення коефіцієнта змінюється в діапазоні від 1,9 до 2,4 при варіюванні частоти обертання в межах 6000 8000 хв-1 та часу вимірювання 3 10 хв. менші значення коефіцієнта досягаються збільшенням частоти обертання диска аналізатора або збільшенням часу проведення досліду. Характер перерізу ліній рівного виходу рівняння регресії (рис.8) свідчить про відсутність екстремуму, а відповідно й оптимальної зони співвідношення факторів.

Під час експериментального дослідження метрологічних характеристик аналізатора жирності молока відцентрового типу встановлено, що гранична похибка вимірювання становить 0,08% за об'ємом порції молока.

Виходячи з теоретичних досліджень, при збільшені частоти обертання зростають напруження в стінках диска аналізатора та збільшується потужність, це зумовлює ускладнення конструкції аналізатора. З іншого боку, вимога оперативності визначення жирності молока забезпечується мінімізацією затрат часу на проведення досліду. З урахуванням вимог надійності, оперативності та точності вимірювання встановлено мінімальний час проведення досліду (180 с) при мінімальній частоті обертання диска аналізатора (6000 хв-1).

У результаті дослідження аналізатора у виробничих умовах встановлено, що основні параметри процесу вимірювання жирності молока та аналізатора (тривалість вимірювання, частота обертання, потужність приводу диска) знаходяться у допустимих межах.

У п'ятому розділі показано, що загальна ефективність впровадження запропонованого аналізатора включає технологічну, економічну, соціальну та екологічну складові. При цьому економічний ефект від вимірювання жирності молока запропонованим аналізатором порівняно зі стандартним сірчанокислотним методом становить 1,09 грн. на одну корову. Річний економічний ефект при триразовому вимірюванні жирності молока за добу від однієї корови становить 1194 грн.

Загальні висновки

1. Впровадження у виробництво автоматизованих систем управління технологічними процесами виробництва молока і якістю продукції з наперед заданими властивостями стримується низьким їх інформаційним забезпеченням внаслідок недосконалості первинних перетворювачів технологічних параметрів, зокрема, аналізаторів жирності молока.

2. На підставі аналізу та багатокритеріальної оцінки методів і засобів визначення жирності молока встановлено, що умовам виробництва молока із застосуванням АСУ ТП найбільшою мірою за критеріями корисності, затратності і своєчасності відповідає метод прямого центрифугування в порожнині обертового диска із синхронним зчитуванням інформації.

3. З аналізу розробленої математичної моделі процесу руху молока в порожнині обертового диска аналізатора випливає, що для забезпечення однорідності потоку в зімкнутих пограничних шарах плазми молока висота порожнини диска аналізатора повинна бути не більшою 1мм.

4. На основі аналізу напружено-деформованого стану диска аналізатора, умов його міцності та ресурсоощадності встановлені допустимі геометричні розміри диска, зокрема для поліметилметакрилатів “Э-2” та “Т2-55” зовнішній діаметр диска аналізатора повинен становити 118 мм, товщина периферійної стінки - 18 мм, товщина торцевих стінок диска - 3мм. При цьому для підвищення жорсткості порожнистого диска і, відповідно, точності вимірювання торцеві стінки мають бути механічно з'єднані між собою.

5. На підставі теоретичного аналізу розділення молока з урахуванням обґрунтованих параметрів диска аналізатора встановлено, що для досягнення об'єктивності вимірювання та ресурсоощадності необхідний і достатній об'єм досліджуваної порції молока становить 5 мл.

6. Кінематичний режим вимірювання жирності молока, що забезпечує необхідні метрологічні та техніко-економічні характеристики пристрою, відповідає тривалості розділення 3 хв при частоті обертання диска 6000 хв-1.

7. Потужність електроприводу диска, яка забезпечує подолання гідро-аеродинамічних опорів та його розгін до робочої частоти обертання за раціональний проміжок часу, повинна становити 60 Вт.

8. Експериментально встановлена кореляційна залежність між об'ємом відцентрифугованих вершків та жирністю молока. За результатами відсівного багатофакторного експерименту встановлено, що визначальними факторами на встановлення кореляційного взаємозв'язку є частота обертання диска аналізатора та тривалість розділення молока.

9. Встановлене рівняння регресії для розрахунку коефіцієнта взаємозв'язку між об'ємом відцентрифугованих вершків і жирністю молока залежно від часу вимірювання та частоти обертання диска. Значення коефіцієнта змінюється в діапазоні від 1,9 до 2,4 при варіюванні частоти обертання в межах 6000 8000 хв-1 та часу вимірювання 3 10 хв. Причому менші значення коефіцієнта досягаються збільшенням частоти обертання диска аналізатора або часу проведення досліду.

10. Експериментально встановлено, що гранична похибка вимірювання при визначенні жирності молока запропонованим аналізатором становить 0,08%.

11. Економічний ефект від вимірювання жирності молока запропонованим аналізатором порівняно зі стандартним сірчанокислотним методом становить 1,09грн. на одну корову. Річний економічний ефект при триразовому вимірюванні жирності молока за добу від однієї корови становить 1194 грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сиротюк В.М., Шолудько Я.В. Аналізатор жирності молока відцентрового типу // Вісник Львів. держ. аграр. ун-ту. Сер. Агроінженерні дослідження. - 1999. - №3. - С.70-74 (здобувачем запропоновано метод визначення жирності молока).

2. Сиротюк В.М., Дмитрів В.Т., Медиковський М.О., Шолудько Я.В.,

Сиротюк С.В., Кондур С.М., Банга В.І. Автоматизована система управління технологічними процесами виробництва молока // Інформаційні технології і системи: Наук.-техн. журн. - Львів.: Держ. наук.-досл. ін-т інформаційної інфраструктури, 1999. - Т.2, №1. - С.162-170 (здобувачем встановлено необхідність введення підсистеми контролю жирності молока в АСУ ТП його виробництва).

3. Сиротюк В.М., Дмитрів В.Т., Медиковський М.О., Шолудько Я.В.,

Кондур С.М., Банга В.І., Жінчин Я.С. Експертна автоматизована система управління технологічним процесом // Вісник держ. ун-ту “Львів. політехніка”. Сер. Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології. - 2000. - №392. - С. 162-165 (здобувачем обґрунтовано включення в структурну схему АСУ ТП молочного виробництва підсистеми контролю жирності молока).

4. Шолудько Я.В. Дослідження впливу тиску молока на елементи конструкції аналізатора жирності молока відцентрового типу // Вісник Львів. держ. аграр. ун-ту. Сер. Агроінженерні дослідження. - 2001. - №5. - С.256 -261.

5. Шолудько Я.В. Енергетичні параметри аналізатора жирності молока відцентрового типу // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. статей Луцьк. держ. техн. ун-ту. - 2001. - Вип.8. - С273-277.

6. Шолудько Я.В. Математичне моделювання процесу руху молока в аналізаторі жирності відцентрового типу // Праці Таврійської держ. агротехн. академії. - 2001. - Т.20, вип.1. - С.37-45.

7. Шолудько Я.В. Обґрунтування технологічних параметрів аналізатора жирності молока відцентрового типу // Науковий вісник Національного аграр.

ун-ту. - 2002.- Вип.40. - С. 125-128.

8. Сиротюк В., Шолудько В., Шолудько Я. Дослідження впливу фізіологічних та технологічних факторів на процес розділення молока в дисковому аналізаторі жирності // Вісник Львів. держ. аграр. ун-ту. Сер. Агроінженерні дослідження. - 2002. - №6. - С.113-118 (здобувачем розроблено методику та проведено експериментальні дослідження).

9. Деклараційний патент на винахід UA №33766А. Аналізатор жирності молока /В.М.Сиротюк, С.В.Сиротюк, В.Ю.Воробкевич, В.Т.Дмитрів, Я.В.Шолудько - Заявлено 31.03.99; Опубл. 15.02.01, Бюл.№1 (здобувачем розроблено технологічну схему аналізатора).

10. Сиротюк В., Шолудько В., Шолудько Я. Результати експериментального дослідження параметрів аналізатора жирності молока відцентрового типу // Еколого-економічні проблеми розвитку АПК: Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф., Львів, 25-27 вересня 2002р. - Львів: Львів. держ. аграр. ун-т, 2002. - Т.1. - С.274-280 (здобувачем розроблено методику та проведено експериментальні дослідження).

11. Сиротюк В.М., Шолудько Я.В. Енергоощадний метод аналізу жирності молока // Тези Міжнар. наук. конгресу молодих вчених та студентів “Здоров'я села - здоров'я держави”. - Львів; Дубляни, 2000. - С.67-68 (здобувачем підтверджена енергетична доцільність використання методу).

Анотації

Шолудько Я.В. Обґрунтування параметрів аналізатора жирності молока відцентрового типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний аграрний університет, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності виробництва молока внаслідок удосконалення технології та розробки нових технічних засобів, які забезпечують оптимальне керування виробничими процесами на основі отримання об'єктивної та оперативної технологічної інформації, зокрема, про жирність молока. Для вирішення даних завдань розроблено новий метод визначення жирності молока шляхом прямого центрифугування в порожнистому диску аналізатора жирності. Теоретично досліджено процес руху молока та розділення його на вершки і відвійки у відцентровому полі диска аналізатора. Обґрунтовано технологічні, конструктивні, енергетичні параметри аналізатора і режими його роботи. Встановлено кореляційну залежність між об'ємом відцентрифугованих і упакованих жирових кульок та фактичною жирністю молока, досліджено вплив фізіологічних і технологічних факторів на процес вимірювання жирності. Досліджено метрологічні характеристики запропонованого аналізатора жирності молока в лабораторних і виробничих умовах.

Ключові слова: аналізатор жирності молока, розділення молока, параметри аналізатора, режими роботи, точність вимірювання.

Шолудько Я.В. Обоснование параметров анализатора жирности молока центробежного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Национальный аграрный университет, Киев, 2003.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности производства молока путем совершенствования технологии и разработки новых технических средств, обеспечивающих оптимальное управление производственными процессами на основании полученной объективной и оперативной технологической информации, в частности, о жирности молока.

Для решения указанных задач разработан новый метод определения жирности молока путем его прямого центрифугирования в полом диске анализатора жирности (патент Украины UA 33766А), который на основании анализа и многокритериальной оценки существующих методов и средств определения жирности молока в наибольшей степени соответствует условиям производства молока с применением автоматизированных систем управления технологическим процессом.

Теоретические исследования модели движения молока и процесса его разделения в полости вращающегося диска позволили обосновать режимы работы анализатора. На основании исследования напряженно-деформированного состояния диска анализатора, условий его прочности и экономии ресурсов установлены допустимые геометрические размеры диска и обоснованы для него материалы - полиметилметакрилаты “Э-2" и “Т2-55 ", а также определен рациональный объем исследуемой порции молока - 5мл.

Экспериментальные исследования позволили получить корреляционную зависимость между объемом упакованных жировых шариков и фактической жирностью молока. По результатам отсеивающего многофакторного эксперимента установлено, что определяющими процесс являются частота вращения диска анализатора и время разделения молока. Исходя из результатов из результатов ксперимента, значение коэффициента взаимосвязи изменяется в диапазоне от 1,9 до 2,4 при варьировании частоты вращения в пределах 6000-8000 мин-1 и времени измерения 3-10 мин. Метрологические исследования анализатора жирности в лабораторных и производственных условиях показали, что предельная погрешность измерения при определении жирности молока предложенным методом составляет 0,08% по объему, что достаточно для управления технологическим процессом производства молока. При этом кинематический режим измерения жирности молока, обеспечивающий указанные метрологические и технико-экономические характеристики устройства, отвечает длительности разделения 3 мин при частоте вращения диска 6000 мин-1.

Разработанный анализатор жирности может быть реализован как в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом производства молока, так и в качестве автономного устройства.

Ключевые слова: анализатор жирности молока, разделение молока, параметры анализатора, режимы работы, точность измерения.

Sholudko Y.V. The substantiation of parameters of centrifugal type milk fat content analyzer. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree on speciality 05.05.11 - Machines and mechanization means of agricultural production. - National agrarian university, Kiev, 2003.

Dissertation is devoted to questions of milk production effectiveness rise by mean of improvement of technology and new technical methods development which provide an optimum management by production processes on base of objective and operative technological information, especially about milk fat. To settle these tasks the new milk fat determination method have been developed by way of straight centrifugal in hollow disk of fat analyzer. The milk motion process and also milk division on creams and waste in centrifugal field of analyser disk have been researched theoretically. Technological, power and constructive parameters of analyser and also work conditions have been substantiated. The correlation ratio between both centrifuged and encased fat volume and factual milk fat has been set. The influence of physiological and technological factors on fat measuring process has been researched. The measuring descriptions of proposed milk fat analyzer have been researched in laboratory and production conditions.

Key words: milk fat analyzer, division of milk, analyzer parameters, work order, measuring exactness.

Размещено на Allbest.ru

...