На правах рукописи

ГНЕЗДИЛОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ устройства

для СУХОЙ ОЧИСТКИ ТОВАРНЫХ ЯИЦ

В ВИБРОКИПяЩЕМ СЛОЕ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск 2009

Работа выполнена на кафедре Механизация животноводства ФГОУ ВПО Алтайский государственный аграрный университет

Научный руководитель: Почетный работник науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Федоренко Иван Ярославович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петухов Николай Александрович;

кандидат технических наук, доцент

Дрюк Виктор Андреевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Омский государственный аграрный университет

Защита диссертации состоится л24 апреля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства
СО Россельхозакадемии по адресу: г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160, ФГОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах), заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 630501, п. Краснообск-1, а/я 460, Новосибирский район, Новосибирская область.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ
СибИМЭ СО Россельхозакадемии.

Автореферат разослан л18 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.С. Нестяк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По химическому составу куриное яйцо является для человека ценным, экологически чистым диетическим продуктом. Оно содержит все необходимые для жизни витамины и микроэлементы, находящиеся в нем в оптимальной пропорции. Поэтому потребление людьми яиц очень велико. Увеличение производства яиц ведет к необходимости улучшения их качества. Одним из главных показателей качества яиц является чистота скорлупы. Ее загрязненность не только снижает товарный вид, но и является основной причиной бактериальной зараженности и быстрой порчи яиц. К тому же, согласно российским техническим условиям, свежие яйца, имеющие загрязнение скорлупы выше нормы, направляют на промышленную переработку и в сети общественного питания. Это наносит большой экономический ущерб предприятиям, производящим товарное яйцо.

Для очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений в настоящее время применяются моечные машины, отличающиеся по принципу действия, производительности и качеству работы. В процессе мойки водный моющий раствор, являясь своего рода транспортным средством, доставляет вредную микрофлору с поверхности яйца внутрь и полностью смывает защитную восковую оболочку, покрывающую скорлупу, что резко снижает сроки хранения товарных яиц.

Несмотря на явные преимущества сухой очистки, машины, работающие по такому принципу, из-за конструктивно-технологического несовершенства пока не могут составить конкуренцию яйцемоечным аналогам.

Применение широко используемого в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства виброкипящего слоя позволяет вывести машины для сухой очистки на принципиально новый технический уровень.

Цель исследований - повышение эффективности очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений посредством применения виброкипящего слоя абразивного материала.

Объект исследований - процесс сухой очистки скорлупы товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала.

Предмет исследований - явления и закономерности, возникающие в процессе сухой очистки скорлупы товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала.

Методы исследований - структурный анализ; математическое моделирование; отсеивающий и основной эксперименты, их планирование.

Научная гипотеза заключается в том, что эффективность очистки скорлупы товарных яиц можно повысить путем использования виброкипящего слоя абразивного материала.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений вибрирующими абразивными частицами на основе уравнений теории резания металлов, учитывающая особенности виброкипящего слоя и длительность виброобработки.
2. Предложены способ и устройство для измерения эффективной вязкости сыпучих материалов (патент РФ № 2267770), находящихся под воздействием вибрации.
3. Получена регрессионная модель процесса сухой очистки скорлупы яиц, подтверждающая теоретическую модель и позволяющая обосновать кинематические режимы виброобработки.

Практическая значимость работы определяется:

1. возможностью использования разработанных технических решений по сухой очистке товарных яиц от загрязнений на яйцескладах птицефабрик, в цехах переработки яиц, на кондитерских фабриках и на базах общественного питания;
2. применением предлагаемой математической модели поведения виброкипящего слоя сыпучего материала для совершенствования технологического оборудования сухой очистки товарных яиц от загрязнений и его рабочих органов.

Реализация результатов исследований. В результате проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ:

1. в ООО Птицефабрика Комсомольская Павловского района Алтайского края внедрен экспериментальный образец машины для сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала;
2. в ООО ИТ - Алтайвибромаш г. Барнаула внедрена конструкторская документация по машине для сухой очистки яиц, изготовлен и апробирован экспериментальный образец предлагаемой машины.

Апробация работы. Результаты научных исследований были доложены и одобрены:

1. в ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии на Международной научно-практической конференции Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири, посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (2008 г.);
2. на проводимых в Алтайском ГАУ научно-практических конференциях в 2002-2008 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы в период ее выполнения опубликовано 5 печатных работ и получено 2 патента РФ на изобретения, в том числе одна статья в издании по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит список основных обозначений и сокращений, введение, пять глав, общие выводы и 7 приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержащих 33 рисунка и 17 таблиц. Библиографический список включает в себя 101 литературный источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и показана практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены вопросы строения, пищевой ценности и товарного качества куриных яиц, проведен обзор существующих способов и машин для сухой очистки товарных яиц.

Содержимое яйца защищено от механических воздействий скорлупой, которая регулирует испарение влаги и газообмен. Снаружи скорлупа покрыта тонкой матовой оболочкой (кутикулой), проницаемой для газов и непроницаемой для микроорганизмов. Кутикула легко смывается водой. Ее удаление ускоряет процесс старения и порчу яйца.

Одними из важнейших показателей, характеризующих товарное качество яиц, являются их масса и чистота скорлупы, от которых зависит цена реализации.

Товарное качество яиц оценивают как органолептическими (чаще визуальными), так и биофизическими методами.

Различают два способа удаления загрязнений с поверхности скорлупы - мойка водой или специальными водными моющими растворами и сухая очистка. Мойка товарных яиц приводит к снижению срока их хранения, так как полностью смывается защитная восковая оболочка. При сухой очистке кутикула стирается с поверхности скорлупы, но остается в порах, предотвращая проникновение вредной микрофлоры внутрь яйца. Поэтому предпочтительной является сухая очистка. Проведенный обзор существующих устройств и машин, работающих по такому способу, показал наличие у них целого ряда существенных недостатков, ограничивающих их применение.

Внедрение виброкипящего слоя абразивного материала в процесс сухой очистки позволяет не только устранить имеющиеся недостатки известных устройств и интенсифицировать сам процесс, но и широкие технологические возможности в сочетании с высокой производительностью ставят его в число наиболее актуальных и перспективных способов товарной обработки яиц.

На основе проведенного обзора поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработать математическую модель процесса сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений вибрирующими абразивными частицами, учитывающую особенности виброкипящего слоя и длительность виброобработки.
2. Предложить способ и устройство для измерения эффективной вязкости сыпучих материалов виброкипящего слоя.
3. Обосновать конструктивные параметры и режимы работы устройства для сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений.
4. Выполнить технико-экономическую оценку устройства для сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений.

Во второй главе приводится описание виброкипящего слоя, его свойств и возможностей использования для сухой очистки яиц, теоретически определен съем загрязнения одной абразивной частицей и с единицы поверхности скорлупы в единицу времени.

Обычно выделяют три динамических состояния (режима) сыпучего материала при вибрации: покой, правильные циркуляционные движения и стохастические циркуляционные движения.

Покой сыпучего тела имеет место при ускорениях вибрации ниже ускорения свободного падения. При этом материал переходит в состояние псевдоожижения и уплотняется.

Два других режима наблюдаются при ускорениях вибрации выше ускорения свободного падения. Сыпучая среда переходит в состояние виброкипения. Правильные циркуляционные движения материала проявляются при первом критическом значении коэффициента перегрузки. Движение частиц происходит по определенным траекториям. Стохастические циркуляционные движения проявляются при втором критическом значении коэффициента перегрузки. Траектории движения частиц заранее неизвестны. Сыпучий материал сильно разрыхляется и интенсивно перемешивается. Поэтому процесс сухой очистки яиц лучше всего вести на третьем динамическом режиме вибрации.

Виброкипящий слой сыпучего материала может быть создан:

1. чисто вибрационным воздействием;
2. вибрационным воздействием в сочетании с фильтрацией газа через рабочую среду;
3. действием вибрации в вакууме;
4. совместным действием вибрации и применением поверхностно-активных веществ.

Для создания виброкипящего слоя процесса сухой очистки яиц применено чисто вибрационное воздействие, исключающее установку дополнительного источника энергии.

Из основных свойств виброкипящего слоя, которые необходимо учитывать при проектировании машин для сухой очистки яиц, можно выделить следующие: пористость, эффективная вязкость, распространение механических колебаний, насосный эффект, самонагрев, перемешивание материала, статическая электризация и самоистирание.

Абразивные частицы, увлекаемые потоком виброкипящего материала, при сухой очистке совершают сложные движения, соударяясь между собой и с поверхностью скорлупы яйца. Таким образом, основу динамики процесса виброобработки яиц составляет ударное взаимодействие абразивных частиц с поверхностью скорлупы, схема которого представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема взаимодействия абразивной частицы
с поверхностью скорлупы

Скорости яйца и частицы до удара и после соответственно определятся согласно следующим выражениям:

, (1)

; (2)

, (3)

, (4)

где,, и - вектор скорости центра масс до удара и после соответственно яйца и частицы;

,, и - вектор угловой скорости до удара и после соответственно яйца и частицы;

и - радиус-вектор, характеризующий расстояние от центра масс соответственно яйца и частицы до точки удара С.

Согласно теореме импульсов, уравнение изменения скорости центра масс механической системы при ударе

, (5)

где mЯ и mЧ - масса соответственно яйца и абразивной частицы, кг;

SE и SJ - соответственно внешний и внутренний ударные импульсы, Нс.

Векторному уравнению (5), с учетом выполненных преобразований, соответствуют три уравнения в проекциях на оси координат:

(6)

Приняты ограничения:

1. Движение абразивной частицы и яйца осуществляется в одной плоскости.
2. Угловое вращение рассматриваемых тел в результате удара происходит за счет момента, создаваемого силой трения, которым можно пренебречь ввиду его малости.

Система уравнение (6) после введенных ограничений принимает следующий вид:

(7)

Разложив импульс силы внутреннего удара тел, приложенный в точке соударения, на нормальную и касательную составляющие, введя коэффициент восстановления k и коэффициент мгновенного трения при ударе, получаем новую систему уравнений:

(8)

Система уравнений (8) позволяет определить нормальную и касательную составляющие силы удара:

(9)

и

, (10)

где РN и Рk - нормальная и касательная составляющие силы удара соответственно, Н;

и - нормальная и касательная составляющие импульса силы удара соответственно, Нс;

Т - время соударения, с.

В результате виброабразивной обработки яйца частицы осуществляют массовое царапание поверхности скорлупы, которое сопровождается снятием некоторого количества стружки. Для изучения динамики данного процесса была применена известная теория резания-царапания металлов.

При поступательном движении абразивной частицы на нее действует сила резания Рр, которую можно разложить на нормальную PN и касательную Pk составляющие (рис. 2). Нормальная сила РN прижимает абразивную частицу к обрабатываемой поверхности, с которой касательная сила Рk срезает стружку.

Рис. 2. Схема сил, действующих на абразивную частицу
при резании-царапании