Влияние конструктивных параметров измельчителя клубней картофеля на технологические характеристики готового продукта

Введение. Важным фактором устойчивого развития животноводства является наличие достаточной сырьевой базы, ресурсосберегающих машин и оборудования. Измельчение клубнеплодов является системным многофункциональным энергоемким процессом, на который влияют конструктивные особенности применяемого оборудования и физикомеханические свойства исходного сырья. В Красноярском крае районировано большое количество сор- тов картофеля, которые возделываются практически во всех сельскохозяйственных организациях. Кроме того, клубни картофеля богаты микроэлементами и витаминами. Использование картофельных ломтиков в качестве составляющего компонента в кормовых смесях становится актуальным при совершенствовании конструкции измельчителя клубней картофеля, которое обеспечивает эффективное регулирование и выбор оптимальных энергетических и конструктивно-технологических параметров, режимов эксплуатации, что, в свою очередь, способствует повышению производительности установки и качества готовой продукции.

Цель исследования : объяснение механизма взаимодействия и влияния комплекса конструктивных и режимных параметров установки по измельчению клубней картофеля на технологические характеристики готового продукта.

Задачи исследования : выявить закономерности изменения производительности и удельной энергоемкости процесса измельчения клубней картофеля в зависимости от конструктивных, технологических и режимных параметров функционирования установки.

Методы исследования . Теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе анализа отечественных и зарубежных научнопрактических работ [1–9]. Выполнена систематизация показателей функционирования установки по измельчению клубней картофеля: выделены управляющие, производные и результатные показатели функционирования данной установки.

Значения управляющих показателей . Частота вращения конусного вала ( ^ , Гц ) и измельчающего барабана ( ^ , _Гц ) , шаг установки ( h , мм ) и угол наклона ножей на измельчающем барабане относительно горизонтальной оси ( а , град. ) систематизированы в соответствии с планом эксперимента.

Значения результатных показателей . Частота цикла обработки ( а , Гц ) , производительность ( Q , кг/ч ) , удельные энергозатраты на приводы конусного вала ( E_k , Вт . ч/_кг ) и измельчающего барабана ( E_b , Вт - ч/кг ) , толщины клубней картофеля ( d, мм ) обработаны в ходе 24 серий экспериментов (по 30 опытов в каждой серии).

Мощность, подаваемая на приводы конусного вала ( р_к , Вт ) и измельчающего барабана ( р , Вт ) установки, вычислена исходя из силы тока, соответственно, подаваемой на приводы конусного вала ( 1_к , А ) и измельчающего барабана ( I_b , а ) по формулам

Pk = 44; Pb=^h, где Ak = Uk 43 cos ^k, Ab = Ub 43 cos ^b - коэффициенты преобразования силы тока в мощность, определяемые для технического устройства; напряжение Uk = Ub = 380 Ом.

Частота цикла измельчения ( а , Гц ) обратна продолжительности технологического цикла ( t, с ) :

1 а = -.

t

Продолжительность технологического цикла, измеренная в часах ( т , ч ) , пересчитана исходя из продолжительности технологического цикла в секундах ( t , с ) по формуле

1 т =------.

Производительность разработанной установки ( Q , кг/ч ) рассчитана исходя из массы ( m , кг/ч ) загружаемого в установку сырья и продолжительности технологического процесса ( т , ч ) по формуле

Q = m .

т

Удельные энергетические затраты на приводы конусного вала (Ек, Вт-ч/кг) и измельчающего барабана (Eb, Вт-ч/кг) установки вычислены исходя из массы обрабатываемого сырья (m, кг/ ч), а также потребляемой мощности, соответственно, на приводы конусного вала (P, Вт) и измельчающего барабана (P, Вт) по формулам р Р

P _k P _b

Ek      ; Eb mm

.

Дополнительно определены и рассчитаны коэффициенты сопряжения по частоте и мощности:

Y a

OL- r Л

; ^Y p ^a k       P k

.

Перевод частоты вращения конусного вала ( a , Гц ) в техническую частоту вращения конусного вала Ω к , мин^-1 осуществляется по формуле

° k = ak- ак , где а = 14,374 603 62, Y = 1,215 82° 497 — коэффициенты перевода.

Перевод частоты вращения барабана (а_ь , Гц ) в техническую частоту вращения барабана Ω b , мин^-1, выполняется по формуле

• -°- Ь = ^a b • ^а ь ,

где а_ь = 14,484 091 42 , у_ь = 1,015 072 85 -коэффициенты перевода.

Результаты корреляционно-регрессионного анализа данных оценены по значению коэффициентов корреляции Пирсона и детерминации используемой для определения доли объясненной вариации. Все выборки показателей соответствуют нормальному распределению согласно критерию Шапиро – Уилка. Оценка значимости различий средних значений проведена с использованием t-критерия Стьюдента и U-критерия Манна – Уитни, соответственно для нормально и ненормально распределенных данных. Проверка на наличие автокорреляции остатков зависимостей выполнена с использованием критерия Дарбина – Уотсона. Значимость коэффициентов регрессии установлена по t-критерию Стьюдента на уровне 0,05, а адекватность модели – по F-критерию Фишера с использованием подпакета Statistics пакета Maple. Зависимости детерминированы на 95,10 % (Coefficient of Multiple Determination), относительная погрешность сглаживания экспериментальных данных не превосходит 6,72 % (% Error) [1–6, 9].

Результаты исследования и их обсуждение. Исследование влияния конструктивных параметров установки по измельчению клубней картофеля на технологические показатели выполнено согласно программе исследований, включающей анализ результатов предварительной статистической обработки по адаптированному плану эксперимента и поиск закономерностей. По данному плану частота вращения конусного вала имеет среднее значение 14,266 7 Гц (при стандартном отклонении 1,760 1), частота вращения измельчающего барабана – 25,000 Гц (при 2,654 0), шаг размещения ножей на барабане – 51,692 1 мм (при 14,973 7), угол наклона ножей барабана имеет среднее значение 7,666 7 град (при стандартном отклонении 6,869 4).

Расчеты по 24 сериям экспериментов показали, что частота цикла обработки характеризуется центром рассеивания 0,2007 Гц (при стандартном отклонении 0,071 4), производительность – 795,350 8 кг/ч (при 290,886 0), удельные энергетические затраты на привод конусного вала - 0,508 7 Вт-ч/кг (при 0,207 5), удельные энергетические затраты на привод измель- чающего барабана - 0,433 4 Вт-ч/кг (при 0,157 1), толщина картофельных ломтиков имеет среднее значе- ние 5,024 4 мм (при стандартном отклонении 0,641 3).

Согласно программе исследования, подобран общий вид аналитических функций, представляющих основные закономерности функционирования установки для измельчения клубней картофеля и целевые показатели технологического совершенства, обеспечивающих единство объекта исследований по принципу подобия процессов.

Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на частоту технологического цикла обработки. Частота технологического цикла измельчения картофеля в зависимости от ®_к , Гц ; ^ , Гц ; h , мм ; а , град. представляется следующей функцией:

a(ak, a, h, а) = сшa ^bh + Ckb a • a ob a + ^ a • a, ha + + cbh • abh + ckb • ak ab+ ckh -akh, где ctb,=-2,035 696 077 -10-5; a = 1,116 314 117 -10-5; kbh         ,                                'kb       ,

• c,. = - 6,591 868 593 - 10 ^-6;    c_M = 0,000 377 417 304 5;

b h a           ,                                    ’ bh ,                                     ’ c^ =-5,503 702 738-10-5; cH = 0,000 194 728 519 6 kb         ,                                    kh ,

– коэффициенты взаимодействия показателей, значения которых вычислены с использованием компьютерного пакета регрессионного анализа.

Влияние конструктивных параметров установки по измельчению картофеля на производительность установки. Производительность установки по измельчению картофеля Q , кг/ч , в зависимости от a , Гц ; a_b , Гц ; h , мм ; a , град. представляется следующей функцией:

Q(°,, mb, h, а) = ckbh ■ a abh+ckba 'akaba+cbh a 'abha+ + cbh-Obh + ckbШ Ш + ckh'^h , где c =-0,101 246 219 1 • c = 0 043 729 850 73;   коэффициенты взаимодействия показателей, значе-

,             k  kt> а ,                ’   ния которых вычислены с использованием компью- cbha = -0,026 366 121 99; cbh = 1,658 303 197;   терного пакета регрессионного анализа.