Цель исследования – установление влияния основных режимных параметров вибрационной очистки пчелиных сотов (частоты и амплитуды вибрации) на производительность рабочего процесса. Задачи исследования: 1) определить рациональное значение амплитуды и частоты вибрационного воздействия, оказываемого на восковую основу пчелиных сотов; 2) определить рациональное значение времени вибрационного воздействия, при котором восковая основа сохраняет целостность (не разрушается); 3) определить возможный процентный выход извлекаемых органических загрязнений при рациональных значениях амплитуды, частоты и времени вибрационного воздействия. Исследование проводили на специально изготовленной лабораторной установке, состоящей из вибрационного стола, органов управления, измерительных приборов и датчиков. Особенностью проведенного исследования является неравномерность интенсивности извлечения гранул перги из ячеек сотов в течение рабочего цикла, которую необходимо учитывать во время эксперимента. С этой целью была разработана методика определения процента извлеченных гранул через равные контрольные интервалы времени. Исследование проводили при различных значениях частоты (30; 60; 90 Гц) и амплитуды (0,5; 1,25; 2 мм) колебаний рамки с сотами. Установлено, что при малых значениях амплитуды вибрационного воздействия (0,5 мм) суммарный процент извлекаемых загрязнений через 4 мин после начала процесса очистки стабилизируется на уровне 80 %, а при увеличении амплитуды до 2 мм показатель возрастает до 85–87 %. Вибрационную очистку пчелиных сотов целесообразно проводить при частоте вибрации рамок 30 Гц.
пчелиные соты, восковая основа, перга, загрязнения, очистка, вибрация.
Введение. Большое значение для использования пчелиных сотов в качестве воскового сырья имеет отсутствие в них посторонних примесей. Часто выбракованные соты бывают сильно загрязнены продуктами жизнедеятельности пчел: пергой, прополисом, обрывками коконов, остающимися от расплода, и т. п. [1–3]. Основную долю среди органических загрязнителей занимает перга. Ее содержание в сотах может составлять сотни процентов от их чистой массы [4–9]. При перетопке таких сотов расплавленный воск задерживается на поверхности частиц перги, впитывается в нее. Увеличивается количество связанного воска, остающегося в отходах, а качество вытапливаемого воска снижается [2, 5, 10–12]. Нами были предложены различные способы и механизированные средства очистки воскового сырья перед перетопкой [13–19]. Одним из таких решений является неразрушающая вибрационная очистка с применением разработанной нами вибрационной установки [20].
Цель исследования: установление влияния основных режимных параметров вибрационной очистки пчелиных сотов (частоты и амплитуды вибрации) на производительность рабочего процесса.
Задачи исследования: 1) определить рациональное значение амплитуды и частоты вибрационного воздействия, оказываемого на восковую основу пчелиных сотов; 2) определить рациональное значение времени вибрационного воздействия, при котором восковая основа сохраняет целостность (не разрушается); 3) определить возможный процентный выход извлекаемых органических загрязнений при рациональных значениях амплитуды, частоты и времени вибрационного воздействия.
Объекты и методы исследования. Лабораторная установка для вибрационной очистки сотов от загрязнений состоит из вибрационного стола, органов управления, измерительных приборов и датчиков (рис. 1).
Рис. 1. Лабораторная установка
для вибрационной очистки пчелиных сотов от загрязнений:
а – схема вибрационного стола; б – общий вид установки во время испытаний; 1 – неподвижная рама; 2 – подвижная рама; 3 – сотодержатель; 4 – роликовые опоры; 5 – пружинный амортизатор; 6 – электрический вибровозбудитель; 7 – выгрузная горловина; 8 – набор накопительных емкостей; 9 – осциллограф; 10 – ЛАТР; 11 – блок питания; 12 – измерительные приборы для снятия электрических характеристик (М-838)
Рамка с сотами закрепляется в сотодержателе 3, и установка приводится в действие. Амплитудой и частотой вибрации управляли изменением питающего напряжения при помощи ЛАТР 10 и установкой различных эксцентриков на валу вибровозбудителя 6. Измерение частоты и амплитуды колебаний проводили с использованием осциллографа 9 (см. рис. 1).
Для проведения исследования использовали сушь сотов, выбракованную пчеловодами во время формирования пчелиного гнезда на зиму. Соторамки, взятые с пасек различных районов Рязанской области, располагали на стеллажах, находящихся в отапливаемых помещениях, и выдерживали в таких условиях на протяжении 1,5–2 месяцев, в результате чего влажность загрязнений в сотах снижалась до 6–11 %. При наличии «свежих сотов» их досушивали конвективным способом до требуемой величины влажности. Влажность загрязнений определяли по стандартной методике определения влажности перги (ТУ 10 РФ 505-92).
Предварительно проведенные исследования позволили определить факторы, значимо влияющие на исследуемый процесс: частота колебаний, амплитуда, продолжительность вибрационного воздействия на соты. В качестве критерия оптимизации приняты: процент извлеченных загрязнений P, %; производительность процесса очистки Q, кг/ч. В результате предварительных исследований также установлено, что время, через которое происходит разрушение восковой основы, зависит от частоты и амплитуды вибрации. При частотах 60–90 Гц разрушение происходит быстро, при этом в сотах остается достаточное количество неизвлеченной перги. При частоте 30 Гц восковая основа в течение длительного времени сохраняет целостность, и потенциально возможное количество перги извлекается до разрушения. В связи с вышесказанным, произвести двухфакторный регрессионный анализ зависимости процента извлекаемых загрязнений от режима вибрации по полученным экспериментальным данным не представляется возможным.
Исследование проводили при трех различных значениях амплитуды вибрации: 0,5; 1,25 и 2 мм. В процессе вибрационной очистки сотов измеряли время воздействия вибрации на соторамку, затем взвешиванием извлеченных загрязнений на лабораторных весах марки ВЛКТ-500М устанавливали количество извлеченных загрязнений, определяли процент извлечения и производительность процесса очистки.
Результаты предварительных экспериментов показали, что производительность извлечения гранул перги неодинакова на протяжении всего цикла вибрационной очистки. Поэтому для измерения производительности в разные промежутки времени цикл очистки разбили на контрольные интервалы одинаковой продолжительности – по 20 секунд. На протяжении одного интервала извлекаемые из сотов гранулы перги, проходя через выгрузную горловину, накапливались в отдельной емкости 8 (см. рис. 1). По истечении каждого интервала емкость менялась. Таким образом измеряли количество перги, извлеченной в течение одного контрольного интервала времени. Измерение прекращалось, когда из выгрузной горловины переставала выходить перга, либо при разрушении сотов. Поэтому для каждого опыта (то есть для каждой отдельной соторамки) количество интервалов – величина непостоянная. Оставшуюся в соте пергу извлекали ручным способом. Количество перги в каждой контрольной емкости и количество извлеченной ручным способом из сотов перги взвешивали на весах.
Процент извлеченных загрязнений Pi , %, в каждой контрольной емкости, то есть за i-й интервал времени, вычислялся по формуле
(1)
где mi – масса извлеченных загрязнений в i-й емкости, г; – общая масса извлеченной перги за весь цикл, г; mр – масса загрязнений, извлеченных ручным способом, г; n – количество интервалов на 1 цикл (рамку, опыт).
Процент гранул P, %, извлеченных за один рабочий цикл, характеризует качество очистки отдельной соторамки и определяется выражением
. (2)
Так как содержание перги в сотах варьирует в широких пределах – от 50 до 800 г [1, 2, 15], то неодинаковым для разных сотов будет и массовый выход извлекаемых загрязнений, как общий, так и в пределах контрольных интервалов времени. Поэтому при определении производительности процесса вибрационной очистки в качестве единицы измерения производительности целесообразно выбрать не весовой показатель, а процентный в единицу времени. Таким образом, производительность процесса вибрационной очистки на каждом интервале цикла Qi (% в секунду) будет равна следующему:
(3)
где t – длительность одного интервала (t = 20 с).
Опыты проводили с 5-кратной повторностью (для 5 сотов с различной степенью загрязненности пергой) при разных значениях частоты и амплитуды вибрации.
Результаты исследования. В процессе эксперимента вибрационное воздействие продолжали до разрушения сота, при этом фиксировали время сохранения целостности восковой основы. На рисунке 2 представлена гистограмма, описывающая процентный выход перги из сотов в различные промежутки времени (i) процесса вибрационного воздействия при частоте 30 Гц и значении амплитуды колебаний рамки с сотами, равном 2 мм.
Рис. 2. Выход перги при частоте 30 Гц и амплитуде 2 мм
Из приведенной гистограммы следует, что наиболее интенсивное удаление гранул перги из сотов происходит в течение первых 20 с вибрационного воздействия. Дальнейшая очистка сотов происходит при постепенном замедлении скорости покидания пергой ячеек сот, и в течение 3,5–4 мин извлекается основная масса загрязнений – 80–87 % от общего содержания перги в сотах.
Далее был произведен подсчет суммарного выхода загрязнений (накопленного процента) в каждом контрольном интервале времени и по полученным данным построены регрессионные модели, определяющие зависимость полного процентного выхода загрязнений от времени вибрационного воздействия при частоте 30 Гц и амплитудах 2; 1,25 и 0,5 мм:
(4)
при соответствующих значениях коэффициента детерминации 0,998; 0,995 и 0,994. Полученные аналитические зависимости представлены графически на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость общего (суммарного) процента P, %, удаляемых загрязнений
от продолжительности t, с, вибрационного воздействия
при частоте 30 Гц и различных значениях амплитуды
Заключение. Из анализа полученных зависимостей следует, что при малых значениях амплитуды вибрационного воздействия (0,5 мм) суммарный процент извлекаемых загрязнений через 4 мин после начала процесса очистки стабилизируется на уровне 80 %, а при увеличении амплитуды до 2 мм показатель возрастает до 85–87 %. Вибрационную очистку пчелиных сотов целесообразно проводить при частоте вибрации рамок 30 Гц.
1. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. Исследование гигроскопических свойств загрязнителей воскового сырья // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. 2016. № S2. С. 35.
2. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. Исследование гранулометрического состава загрязненного воскового сырья // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: cб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти д-ра техн. наук, проф. Ф.Х. Бурумкулова / отв. за вып. А.В. Столяров; Институт механики и энергетики. Рузаевка, 2016. С. 463–465.
3. Исследование процесса механической очистки перговых гранул от органических оболочек / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, С.Н. Гобелев [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2016. № 2 (113). С. 73–77.
4. Исследование влияния влажности и температуры на прочностные свойства перги / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, С.Н. Гобелев [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2016. № 1 (112). С. 97–101.
5. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. Исследование дисперсионных свойств перги различного гранулометрического сос-тава // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2017. № 1 (33). С. 69–74.
6. К вопросу механической очистки перговых гранул / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов [и др.] // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2017. № 2 (34). С. 57–61.
7. Повышение качества перги путем механической очистки / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов [и др.] // Проблемы и решения современной аграрной экономики: мат-лы конф. пос. Майский, 2017. С. 19–20.
8. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. Результаты многофакторного экспериментального исследования дисперсионных свойств перги // Вестник КрасГАУ. 2017. № 2 (125). С. 115–121.
9. Патент на изобретение № 2667734 РФ, A01K 59/00. Установка для извлечения и очистки перги из перговых сотов / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Коченов, В.В. Павлов, А.А. Петухов (РФ). Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО РГАТУ. № 2017145725/13; заявл. 25.12.2017; опубл. 24.09.2018, Бюл. № 27.
10. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. К вопросу механизации очистки воскового сырья // Продовольственная безопасность: от зависимости к самостоятельности: сб. мат-лов всерос. науч.-практ. конф. Орел, 2017. С. 45–48.
11. К вопросу очистки воскового сырья от загрязнений: вероятностная модель процесса измельчения пчелиных сотов / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2019. № 3 (144). С. 141–147.
12. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. К вопросу очистки воскового сырья от загрязнений: моделирование процесса растворения перги в воде при интенсивном механическом перемешивании // Вестник КрасГАУ. 2019. № 2 (143). С. 150–156.
13. Исследование эффективности очистки воскового сырья в воде при интенсивном механическом перемешивании / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2017. № 12 (135). С. 115–122.
14. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. К вопросу механизированной очистки воскового сырья // Аграрная наука в иннова-ционном развитии АПК: мат-лы междунар. молодежного аграрного форума / под ред. В.А. Бабушкина. Мичуринск, 2018. С. 49–55.
15. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Павлов В.В. Повышение эффективности очистки воскового сырья с применением специальной механизированной технологии // Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых: сб. мат-лов VII междунар. науч.-практ. конф. / под ред. Н.Г. Власенко [и др.]. Новосибирск, 2019. С. 293–298.
16. Обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров измельчителя воскового сырья / Д.Е. Каширин, В.В. Павлов, М.Н. Чаткин [и др.] // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2017. № 4. С. 96–103.
17. Павлов В.В. Исследование процесса растворения загрязняющих примесей воскового сырья в воде при интенсивном механическом перемешивании // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2017. № 4 (36). С. 126–132.
18. Патент на изобретение № 2656968 РФ, A01K 51/00. Способ очистки воскового сырья / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов (РФ); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО РГАТУ. № 2017106065/13; заявл. 20.02.2017; опубл. 07.06.2018, Бюл. № 16.
19. Патент на изобретение № 2672403 РФ, А01К59/06. Установка для очистки воскового сырья / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, В.В. Павлов, А.А. Петухов (РФ); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО РГАТУ. № 2018104393/13; заявл. 05.02.2018; опубл. 14.11.2018, Бюл. № 32.
20. Патент на изобретение № 2483811 РФ, A01K 59/00, B07B 1/40. Вибрационная установка для очистки пчелиных сотов от загрязнений / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин, А.В. Куприянов (РФ); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО РГАТУ. № 2011147682/13; заявл. 23.11.2011; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.
