Введение к работе
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 счёт плохо промытых доильных аппаратов и молоко- проводов.
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 мо- локовоздушной 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 энергоёмкость 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 проблемно- ориентированных 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, XIII, 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 научно- технической 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 «Оверис- Урал» (Оренбург-Кемниц-Ансбах - 1996 г.); на Х, XI, 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 - 2 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 научнотехниче- ских 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 21 на иностранном языке. Работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включая список литературы, содержит 92 рисунка, 17 таблиц и приложения.
