Введение к работе
1.1. Актуальность темы. Результатом перестройки АПК РФ явилось увеличение доли полученного сельхозпроизводителями молока, перерабатываемого в цехах малой мощности, используемого на внутрихозяйственные цели и реализуемого населению. Это потребовало разработки новых и модернизации существующих технических средств для обработки молока с целью интенсификации режимов работы, увеличения надежности при их эксплуатации, снижения металлоемкости, энергоемкости технологического оборудования и ресурсосбережения. Известно, что эти направления развития являются одними из важнейших, обеспечивающих конкурентоспособность современного технологического оборудования.
Вместе с тем в настоящее время дальнейшее развитие технологий и технических средств в условиях резкого повышения скорости приобретения информации по их совершенствованию требует разработки новых теоретических концепций поиска приоритетных направлений создания технологического оборудования, что невозможно без разработки научных принципов исследования построения и развития его структуры. Это обусловлено тем, что начальным необходимым этапом создания нового аппаратурного оформления технологического процесса является познание его сущности путем обобщения полученных о нем знаний в виде описания совокупности базовых категорий структуры (компоненты аппарата, связи между ними и форма этих связей). В настоящее время выбор структуры технических средств производится преимущественно без достаточного научного обеспечения (как правило, на основе эвристических правил, интуиции, изобретательского творчества). Поэтому осуществление оптимизации параметров такого аппаратурного оформления на последующем этапе - этапе физического и(или) математического моделирования не всегда в итоге может гарантировать создание конкурентоспособных технических средств с высокими целевыми показателями (интенсивность, удельные энергозатраты, надежность и т.п.). Несовершенство и недостатки выбора структуры без достаточного научного обеспечения особенно рельефно проявляются при разработке и модернизации аппаратурного оформления структурно сложных технологических процессов обработки молока (производство сыра, творога, сгущенного молока и др).
Существенный вклад в теорию создания технических средств для обработки молока внесли известные ученые: Кук Г.А., Липатов Н.Н., Маслов А.М., Николаев Л.К., Сурков В.В., Тарасов Ф.М. и др.
Моделирование структурных особенностей позволил специалистам в области пищевой инженерии найти в нем сферу приложения для постановки и решения широкого круга сложных научных задач. Однако, несмотря на постоянно возрастающее число исследований, привлекающих такой подход, в основном сохраняется тенденция узкоспециализированного использования отдельных теоретических аспектов моделирования структуры.
В настоящей работе развитие основ теории создания технических средств для обработки молока в направлении оптимизации их структуры базируется на имеющихся достижениях в области процессов, аппаратов и прикладной теории систем, предопределенных научными трудами академика РАН В.В. Кафарова с сотрудниками и академика РАСХН В.А. Панфилова.
Предложенный подход, основан на исследовании особенностей иерархичности структуры технологических процессов и технических средств для обработки молока и последующем исследовании закономерностей развития их структуры методами морфологического анализа и синтеза. Это позволяет дополнить традиционные методы физического и математического моделирования, расширить возможности создания современной конкурентоспособной аппаратуры, реализуя привлечение и комбинирование максимально возможного количества информации по конкретному аппаратурному решению. В связи с тем, что исследуемые базовые категории структуры являются наиболее общими представлениями о создаваемом оборудовании, то предлагаемые в диссертации математические описания являются инвариантными относительно основных этапов «жизненного цикла» технологического оборудования. Это расширяет возможности практического применения полученных результатов, позволяя использовать их в качестве общего теоретического и методического обеспечения проектирования, конструирования, организации эксплуатации и модернизации технических средств для обработки молока.
Изложенное определяет актуальность повышения эффективности создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры.
1.2. Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка научного обеспечения процесса создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры,обеспечивающее конкурентоспособность создаваемого оборудования. Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи: 1. Анализ современного состояния научного обеспечения моделирования структуры технологических процессов и технических средств АПК. 2. Разработка теории декомпозиционно-морфологического моделирования структуры технических средств для обработки молока. 3. Разработка научного обеспечения прогнозирования направлений совершенствования технологических процессов и технических средств для обработки молока. 4. Разработка методов экспериментальной и компьютерной поддержки создания технических средств для обработки молока. 5. Исследование развития структуры технологических процессов и технических средств для обработки молока. 6. Практическая апробация результатов исследований при создании технических средств для обработки молока.
1.3. Научная новизна. Предложено создание технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры, при котором в математическую постановку задачи мотивированного выбора структуры ресурсо- и энергосберегающих технических решений включены информационные описания.
Разработан метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока на основе анализа декомпозиционно-морфологической модели их структуры.
Обоснована методика ранжирования технических средств для обработки молока по минимальной информации об их целевых показателях.
Предложен способ расчета информационной обеспеченности технических средств для обработки молока на основе анализа компонентов декомпозиционно-морфологической модели.
Сформулирован словарь для формализации понятий компонентов, связей и видов связей при моделировании структуры технических средств для обработки молока, включающий принятые в технологических процессах АПК термины.
Предложено математическое обеспечение для способа комплексного измерения теплофизических характеристик по а.с.1196745.
1.4. Практическая ценность и реализация результатов исследований.
На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена методология создания конкурентоспособных технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры.
Результаты работы использованы предприятиями и организациями АПК РФ при совершенствовании существующих и разработке новых аппаратурных оформлений процессов обработки молока. Методология исследования развития структуры аппаратов для обработки молока используется в Научно-производственном предприятии «Сибагромаш» (г.Новосибирск) при разработке новых типов нестандартного оборудования для обработки молока и при проектировании специального аппаратурного оформления технологических процессов применительно к малым предприятиям (производство творога, сыра и др.)
На основе анализа развития структурной модели были выполнены поисковые научно-технические прогнозы:
- направлений совершенствования аппаратов для кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром; внедрен в ВПО «Союзконсервмолоко» (г.Москва) при разработке «Программы ускорения научно-технического прогресса на 1986-1990 гг ;
- способов производства творога традиционной консистенции; результаты прогноза использованы в ОАО «СПбМясомолмаш» (г. С.-Петербург) при разработке рабочей документации, на основе которой изготовлен и прошел успешное испытание опытно-промышленный агрегат для коагуляции молочного белка и обезвоживания молочно-белкового сгустка (ГМЗ, г.Приозерск);
- рациональных путей обработки молочной продукции с использованием СВЧ-энергии; результаты использованы в ООО «Ингредиент» (г. С.-Петербург) при разработке многоцелевых микроволновых установок для фермерских хозяйств.
Методика ранжирования аппаратурных оформлений технологических процессов обработки молока нашли применение для анализа и синтеза технических решений на стадии проектирования молочных заводов и цехов малой мощности в ФГУП «Гипромясомолагропром» (г. С.-Петербург), а также для анализа и синтеза наиболее перспективных направлений совершенствования выпускаемого ЗАО «Ленпродмаш» (г.С.-Петербург) фасовочно-упаковочного оборудования для жидких пищевых продуктов.
Способ расчета информационной обеспеченности аппаратурного оформления процесса использован в ОАО «СПАК-инженеринг»
(г. С.-Петербург) при разработке технических условий на «Теплообменники пластинчатые разборные ТПРП для жидких пищевых продуктов ТУ 3612-003-20505854-2003»
Определены основные теплофизические (коэффициенты теплопроводности температуропроводности и объемная теплоемкость) и реологические (эффективная вязкость, предел сдвиговой прочности и др.) свойства молока сгущенного с сахаром и различными наполнителями, плавленых сыров, молочно-овощных пюре, сливочных масел.
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс СПбГУНиПТ и используется при подготовке инженеров, бакалавров и магистров на лекциях, в дипломном и курсовом проектировании, при выполнении лабораторных работ.
Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет около 1 млн. рублей в год.
1.5. На защиту выносится следующие научные положения:
- теоретические положения декомпозиционно-морфологического моделирования структуры технических средств для обработки молока;
- метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока на основе анализа декомпозиционно-морфологической модели их структуры;
- способ расчета информационной обеспеченности технических средств для обработки молока на основе анализа компонентов декомпозиционно-морфологической модели;
- математическое обеспечение для способа комплексного измерения теплофизических характеристик молочных продуктов.
1.6. Апробация работы. Основные теоретические положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международных научно-технических конференциях (С.-Петербург, 1996; С.-Петербург, 1998; С.-Петербург, 1999; Краснодар, 2002; С.-Петербург, 2003; Воронеж, 2004; Могилев, 2005; С.-Петербург, 2007); Международном семинаре (Germany, Munich, 1992); Всесоюзных научно-технических конференциях (Москва, 1983; Ставрополь, 1983; Ереван, 1988; Москва, 1989; Барнаул, 1989; Ленинград, 1991); Всесоюзной научно-практической конференции (Ленинград, 1986); Всесоюзных семинарах (Каунас, 1983; Москва, 1985; Вологда, 1989); Республиканских научно-технических конференциях (Каунас, 1988; Киев, 1989; С.-Петербург, 2001); научно-технических конференциях (Киев, 1983; Ленинград, 1985; Углич, 1994).
1.7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 55 научных работах, в том числе двух монографиях и девяти авторских свидетельствах на изобретения.
1.8. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть изложена на 286 страницах, содержит 40 таблиц и 46 рисунков. Список литературы включает 299 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
