CC BY
67
УДК 636.2.034:631.3
НАНОТЕХНОЛОГИИ - В МАШИННОМ ДОЕНИИ КОРОВ
В.Ф. Ужик, доктор технических наук, профессор О.В. Ужик, кандидат технических наук, доцент Д.Н. Клёсов, аспирант Белгородская ГСХА им. В.Я. Горина E-mail: uzhik16@rambler.ru
А.А. Науменко, кандидат технических наук, профессор А.А. Чигрин, кандидат технических наук, доцент ХНТУСХ им. П. Василенка E-mail: ol.naumenko@rambler.ru
В статье приведено описание конструкции адаптивного доильного аппарата с гидро-стабилизированным пульсатором, в качестве рабочей среды гидравлического контура которого используется магнитоуправля-емая жидкость. Даны основные конструктивно-режимные параметры пульсатора. Ключевые слова: доильный аппарат, стакан, пульсатор, коллектор, регулятор, гид-ростабилизированный, магнитная жидкость, соленоид, частота пульсаций, ток.
Адаптивный режим доения, формируемый по единственному управляющему сигналу - интенсивности потока молока (в целом по вымени, или по каждому соску в отдельности) - не новое направление в современном молочном скотоводстве [1-7 ]. При этом к факторам, определяющим режим выведения молока из молочной железы, относятся вакуумметрическое давление доения, частота пульсаций пульсатора и соотношение тактов, а также положение критической точки интенсивности потока молока начала плавного или дискретного изменения параметров указанных факторов. Однако не во всех доильных аппаратах, обладающих адаптивными свойствами, реализованы данные факторы в полном объеме. Это связано, прежде всего, с условиями использования доильного аппарата и возможностью применения элементов автоматики управления факторами, определяющими режим доения.
Поэтому поиск оптимального сочетания факторов, а также разработка рациональной схемы конструкции доильного устройства для обеспечения их реализации - до настоящего времени важная задача отрасли машиностроения для молочного скотоводства.
Один из путей в достижении указанной цели - применение наноструктурных материалов в элементах автоматики доильных устройств. Так, в предложенном нами адаптивном доильном аппарате для коров (рис. 1), источник генерируемых импульсов ваку-умметрического давления - гидростабилизи-рованный пульсатор, в качестве рабочей среды в котором предлагается использовать магнитную жидкость, относящуюся к новым техническим материалам [8-12]. Это позволит обеспечить подстраиваемость режима работы технического средства для выведения молока, в частности, частоты пульсаций пульсатора, к физиологическим особенностям животного.
Доильный аппарат (рис. 1) состоит из доильного стакана 20 с регулятором вакуум-метрического давления 18 в межстенной камере 19 доильного стакана 20, коллектора 9, пульсатора 1, датчика 30 потока молока с регулятором вакуумметрического давления 32 в подсосковой камере 21 доильного стакана 20 и блока управления 39. Регулятор вакуумметрического давления 18 выполнен в виде разделенных гибкой мембраной 16 камеры управления 15, патрубком 14 сообщае-
Journal of VNIIMZH №4(16)-2014
49
мой с подсосковой камерой 21 доильного стакана 20, и камеры переменного вакуум-метрического давления 17, патрубком 13 сообщаемой с двухкамерной распределительной камерой 12 коллектора 9, камеры которой, в свою очередь, патрубками 11 и 10 сообщены с коммутатором потока воздуха 8 пульсатора 1.
Регулятор вакуумметрического давления 32 в подсосковой камере 21 доильного стакана 20 датчика 30 потока молока выполнен в виде разделенных гибкой мембраной 33 камеры переменного вакуумметрического давления 34, патрубком 40 сообщаемой с коллектором 9, и камеры управления 35, калиброванным каналом 31 сообщаемой с ва-куумпроводом 28, а воздушным калиброванным каналом 36 - с атмосферой.
Рис. 1. Адаптивный доильный аппарат
Причем воздушный калиброванный канал 36 снабжен электроклапаном 37, управляемым блоком управления 39.
Датчик 30 потока молока содержит подвижно установленную переливную трубку 22, образующую калиброванную щель 38 с дном молокоприемной камеры 29 датчика 30, и коаксиально установленный поплавок 23 с магнитом 24, взаимодействующим с герконом 25 при нижнем положении поплавка 23 в молокоприемной камере 29. Геркон 25 электрически связан с блоком управления 39. Патрубком 26 молокоприемная камера 29 датчика 30 потока молока соединена с моло-копроводом 27 для сбора молока. Пульсатор 1 выполнен в виде двух силовых камер 5 и 44, жестко скрепленных между собой, каждая из которых выполнена в виде разделенных гибкими мембранами 6 и 43 пневматических камер 7 и 42 и сообщаемых между собой калиброванной трубкой 4 гидравлических камер 2 и 41, причем гидравлические камеры 2 и 41 и калиброванная трубка 4 заполнены вязкой жидкостью с магнитоуправляемы-ми физико-механическими свойствами, а коаксиально трубке 4 установлен соленоид 3, электрически связанный с блоком управления 39. Коммутатор потока воздуха 8 выполнен в виде остова 2 (рис. 2) с каналом 4 постоянного вакуумметрического давления, сообщаемым с вакуумпроводом, и каналами 3 и 5 переменного вакууммет-рического давления, патрубками 9 и 11 соединяемых с двухкамерной распределительной камерой коллектора, а также ползуна 1, выполненного с возможностью перемещения по остову 2 в поперечном направлении относительно каналов 3, 4 и 5 калиброванной трубкой.
Каналы 3 и 5 переменного вакуум-метрического давления выполнены по разные стороны от канала 4 и под углом к нему, а для перемещения ползуна 1 вдоль каналов он тягой 8 соединен с электромагнитом 10, электрически связанным с блоком управления.
-Д. /
гЬ / 1 1
3
Рис. 2. Коммутатор потока воздуха
Доильный аппарат работает следующим образом. При подключении доильного аппарата к вакуумпроводу 28, молокопроводу 27 и источнику электрической энергии (на схеме не показан) сигнал от блока управления 39 обеспечивает открытие электроклапана 37, тем самым сообщив камеру управления 35 регулятора вакуумметрического давления 32 воздушным калиброванным каналом 36 с атмосферой, а также подключение соленоида 3 к источнику питания. Одновременно в камеру управления 35 из вакуумпровода 28 калиброванным каналом 31 распространяется вакуумметрическое давление. В результате в камере управления 35 устанавливается пониженное (стимулирующее) вакуумметриче-ское давление. В это же время из молокопро-вода 27 вакуумметрическое давление по патрубку 26 поступает в молокоприемную камеру 29 датчика 30 потока молока и далее, ограниченное гибкой мембраной 33, в камеру переменного вакуумметрического давления 34 регулятора 32, откуда уже пониженное (стимулирующее) вакуумметрическое давление по патрубку 40 поступает в коллектор 9 и далее в подсосковую камеру 21 доильного стакана 20, одновременно по патрубку 14 распространяясь в камеру управления 15 регулятора вакуумметрического давления 18 доильного стакана 20 и тем самым ограничивая гибкой мембраной 16 ва-куумметрическое давление в межстенной камере 19 доильного стакана 20, поступающее из камеры переменного вакуумметриче-ского давления 17 регулятора вакумметриче-ского давления 18, патрубком 13 соединяемой с двухкамерной распределительной камерой 12 коллектора 9 и далее через патруб-
ки 10 и 11 и коммутатор потока воздуха 8 пульсатора 1 (рис. 1, 2) с вакуумпроводом 28. При этом последовательное чередование атмосферного и вакуум-метрического давления в пневматических камерах 7 и 42 силовых камер 5 и 44 пульсатора 1 (фиг. 1) вызывает прогиб гибких мембран 6 и 43 и возвратно-поступательное перемещение калиброванной трубки 4 с одновременным перетеканием между гидравлическими камерами 2 и 41 по калиброванной трубке 4 вязкой жидкости с магни-тоуправляемыми физико-механичес-кими свойствами, испытывающей воздействие магнитного поля соленоида 3, замедляющего скорость ее перетекания, тем самым уменьшая частоту пульсаций пульсатора 1. Перемещение калиброванной трубки 4 обеспечивает возвратно-поступательное перемещение по остову 2 (рис. 2) в поперечном направлении относительно каналов 3, 4 и 5 ползуна 1, последовательное сообщение которым каналов 3 и 5 переменного вакуумметрическо-го давления с каналом 4 постоянного ваку-умметрического давления или атмосферой приводит к колебаниям давления в межстенной камере 19 (рис. 1) доильного стакана 20. Доильный аппарат устанавливают на вымя коровы и осуществляют доение в стимулирующем режиме. При интенсивности потока молока ниже 50 мл/мин оно через калиброванную щель 38, образованную переливной трубкой 22 и дном молокоприемной камеры 29, перетекает по патрубку 26 в молокопро-вод 27. При увеличении потока молоко накапливается в молокоприемной камере 29 датчика 30 потока молока и поплавок 23, всплывая, удаляет магнит 24 от геркона 25, тем самым исключая их взаимодействие. В результате сигнала геркона 25 блок управления 39 выдает команду на закрытие электроклапана 37, обесточив его, отключает соленоид 3, и подключает к источнику электроэнергии электромагнит 10 (рис. 2). При этом в камере управления 35 регулятора вакуум-метрического давления 32 датчика 30 потока молока вакуумметрическое давление возрас-
Journal of VNHMZH №4(16)-2014
51
тает до номинального, что приводит к увеличению вакуумметрического давления в подсосковой камере 21 доильного стакана 20, камере управления 15 регулятора ваку-умметрического давления 18, а, значит, и в межстенной камере 19. Одновременно прекращается воздействие магнитного поля соленоида 3 на жидкость, заполняющую гидравлические камеры 2 и 41 пульсатора 1, тем самым увеличивая частоту пульсаций пульсатора 1, а электромагнит 10 (рис. 2), перемещая тягой 8 ползун 1 вдоль каналов 3, 4 и 5 постоянного и переменного вакуумметри-ческого давления, обеспечивает изменение соотношения тактов. Так обеспечивают доение в номинальном режиме.
При проверке зависимости частоты пульсаций пульсатора от вакуумметрического давления, площади поперечного сечения кольцевого канала, силы тока для эксперимента использовали соленоиды, изготовленные из медного провода сечением 1-10-6 м2,
длиной 4,5-10" м, внутренним диаметром 2 2 0,7-10" м, наружным диаметром 4,5-10" м и
числом витков 595. В качестве рабочей жидкости гидравлического контура пульсатора использовали магнитную жидкость на основе керосина плотностью 1,3 г/см3, намагниченностью 73 кА/м. Исследования были выполнены нами путем постановки факторного эксперимента с использованием известных методик [13,14]. Силу тока в соленоидах изменяли в интервале от 0 до 4 А с точностью ±0,5 А; площадь поперечного сечения канала в трубке - в интервале 5,16-3,4 мм2; ваку-умметрическое давление - в диапазоне 48-50 кПа с шагом в 1 кПа и точностью ±0,2 кПа.
Установлено, что соленоиды магнитной системы должны быть расположены на оси канала пульсатора вне зоны течения жидкости по каналу патрубка. Для обеспечения номинального режима работы пульсатора на уровне 60 пульс/мин, численные значения исследуемых факторов должны быть: ваку-умметрическое давление - 49,7 кПа; площадь поперечного сечения канала в трубке -4,32-10-6 м2; сила тока в соленоиде - 0 А. Для уменьшения частоты пульсаций пульсатора с 60 до 40 пульс/мин достаточно силы тока 4 А.
Испытания доильного аппарата предлагаемой конструкции с гидростабилизирован-ным пульсатором и регуляторами вакуум-метрического давления доения коров в зависимости от интенсивности потока молока в хозяйствах Белгородской области показали, что он обеспечивает снижение заболеваемости вымени коров маститом на 18.. .22 %.
Литература:
1. Система технологий и машин для механизации и автоматизации производства продукции животноводства и птицеводства на период до 2020 года / Ю.А. Иванов, Н.М. Морозов, П.И. Гриднев и др. М., 2013.
2. Ужик О.В. Технико-технологическое обеспечение молочного скотоводства // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №2(10). С. 195-204.
3. Кирсанов В.В. Оптимальный режим регулирования вакуума в доильном аппарате // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. №8. С. 16-18.
4. Ульянов В. Наш доильный аппарат эффективнее // Сельский механизатор. 2006. №11. С. 26.
5. Винников И.К. Автоматизация и роботизация доения коров в параллельно-проходных станках // Техника в сельском хозяйстве. 2009. №4. С. 12-15.
6. Цой Ю. Доильный аппарат «Нурлат» // Сельский механизатор. 2006. №1. С. 28-29.
7. Анисько П.Е. Физиологическое обоснование переменного режима машинного доения коров при автоматическом регулировании вакуума: автореф. дис. к. б. н. / БелНИИЖ. Жодино, 1988. 22 с.
8. Пат. 2328110 RU. Доильный аппарат / В.Ф. Ужик и др. Заяв. 30.06.06; Опубл. 10.07.08; Бюл. №19.
9. Такетоми С. Магнитные жидкости. М., 1993. 227 с.
10. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. М., 1988.
11. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., 1975. 559 с.
12. Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов // Магнитные и механические свойства конструкций. М., 1971. С. 3-30.
13. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969. 159 с.
14. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследовании с.-х. процессов. Л.: Колос, 1980. 166 с.
The article describes the designs of adaptive milking machine with hydrostabilized pulsator, as the working fluid of the hydraulic circuit which uses magnetically controlled fluid. Gives the basic structural and operational parameters of the pulsator.
Keywords: milking machine, glass, pulsator, collector, regulator, hydrostabilized, magnetic fluid, solenoid, frequency pulsations, current.
