CC BY
18
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.3:636
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОТЫ ДОИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
THE ORETICAL BASIS OF STABILIZATION PARAMETERS IN WORK MILKING EQUIPMENT
A.В. Борознин, кандидат технических наук, доцент
B.А. Борознин, кандидат технических наук, доцент
A.V. Boroznin, V.A. Boroznin
Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agricultural University
Рассмотрены основные причины, влияющие на снижение производительности вакуумного насоса и на развиваемое им вакуумметрическое давление, которыми являются потери производительности из-за негерметичности и засоренности различных элементов, составляющих доильно-молочное оборудование (ДМО), или из-за случайных прососов, возникающих при нарушении технологического процесса доения, а также конструктивные особенности доильного агрегата. Приведены исследования, показывающие, что значительные потери вакуума наблюдаются при подъеме молоко-воздушной смеси на высоту молокопровода, поступлении в него смеси из молочного шланга (поворот потока), транспортировке по нему (шероховатость поверхности), крутоизогнутых поворотах и различных уклонах (несоблюдение правил монтажа), подсосе воздуха через дроссель коллектора (засорение) в молочную линию. Используя структурно-функциональную схему ДМО, представлено уравнение баланса расхода воздуха для доильной установки АДМ-8А. Приведены методика и расчетные формулы для определения основных потерь производительности вакуумной установки, которые возможны в элементах ДМО. Анализ полученных уравнений и структурно -функциональной схемы доильно-молочного оборудования позволяет определить основные точки потерь подачи вакуумной установки и построить схему влияния воздействия этих потерь на основные рабочие параметры доильных аппаратов, и выявить последствия этого воздействия на изменения основных показателей эффективности доения.
The main factors influencing the decline in performance of the vacuum pump, and on developing their vacuum pressure, which is the loss of productivity due to leaks and contamination of the various elements that make up the milking and dairy equipment (DME), or due to accidental sucking arising from the violation of technology in the milking process, as well as structural features of the milking machine. Results: the study shows that a significant loss of vacuum are observed when lifting the milk-air mixture to the height of the milk, entering into it a mixture of the milk hose (deflection), transporting on it (surface roughness), knuckle turns and different gradients (non-compliance with installation rules) air leaks through the choke manifold (blockage) in the milk line. Using structural and functional scheme of DHS, represented the air flow balance equation for the milking machine ADM-8A. The method and formulas for calculating key performance loss of the vacuum plant, which are possible in DHS components. The analysis of the equation and the structural and functional scheme of milking and dairy equipment, allows you to identify the main point of supply losses vacuum plant and build scheme influence the impact of these losses on the basic operating parameters of milking machines, and to identify the consequences of exposure to changes in the main indicators of the efficiency of the milking.
Ключевые слова: подача, давление, вакуумный насос, негерметичность, засоренность, потери подачи.
Key words: flow, pressure, vacuum pump, non-hermetic, contamination, loss of supply.
Введение. Современное доильное оборудование представляет собой набор сложных пневмо-гидро-механических систем с распределёнными параметрами, и их аналити-
ческое описание довольно сложно и затруднительно. Поэтому для определения основных структурных единиц ДМО и параметров, характеризующих процесс их работы, наиболее приемлемым является способ использования структурно-функциональных моделей [7]. Характерной особенностью доильного оборудования является то, что их принципиальные схемы для более удобного анализа могут быть разбиты на отдельные блоки-модули [7] и рассматриваться как отдельные структурные единицы с характерными для них рабочими параметрами. Для примера возьмём структурно-функциональную схему доильной установки АДМ-8А (рисунок 1) как наиболее используемую, по которой видно: из каких элементов состоит данная доильная установка, как эти элементы соединены между собой и через какие параметры осуществляется их взаимосвязь.
Материалы и методы. Рассматриваемые нами элементы доильной установки представляют собой комплекты блок-модулей, согласно структурно-функциональной схеме (рисунок 1), соединённые в параллельно-последовательные цепи.
Нормальный эксплуатационный режим всего ДМО задается вакуумнымнасосом (В.н). Поэтому, в основном, от его технического состояния будет зависеть работа всех узлов и агрегатов, входящих в доильную установку.
Основными параметрами, характеризующими состояние вакуумного насоса [4, 1, 5], являются его производительность (паспортная) (0п) и максимально развиваемое на всасывании, вакуумметрическое давление (Ифп). Эти параметры тесно связаны между собой и изменение первого сразу же влечет за собой изменение второго. Если производительность насоса снижается более, чем на 20 % от паспортной, то при этом происходят значительные по величине и продолжительности колебания вакуумметрического давления (до 10.. .18 кПа, вместо 0,3.0,4 кПа) во всех системах ДМО, что приводит к нарушениям и торможению рефлекса молокоотдачи, потере продуктивности и жирности молока. Все возникающие в процессе работы ДМО колебания вакуума можно разделить на два вида - это макроколебания (с амплитудой от 3 кПа до тах) и микроколебания (с амплитудой до 3 кПа).
Макроколебания вакуума с максимальной амплитудой являются дискретными величинами и возникают в результате подключения и снятия доильных стаканов с вымени животного, случайного их спадания с сосков вымени, и других случайных прососов. Их значения и характер случайны и зависят от квалификации операторов машинного доения, их физического и психологического состояния, при этом они легко идентифицируются по реализации и визуально.
Микроколебания вакуума с минимальной амплитудой являются непрерывными величинами и вызываются нестабильным течением молока в молокопроводе и его переходом из безнапорного (расслоенного) движения в напорное (пробковое) как в моло-копроводе так, и особенно, в молочном шланге при подъеме молока от коллектора в молокопровод[9, 11]. Эти колебания обусловлены техническим состоянием агрегатов ДМО: производительностью вакуумного насоса, емкостью ресивера, протяженностью, высотой установки, уклонами и внутренними диаметрами молочных линий и шлангов, конструктивными особенностями дозаторов, вакуумрегуляторов, числом и типом доильных аппаратов, состоянием различных дросселей.
Результаты. Основными причинами возникновения потерь подачи вакуумного насоса являются:
1. Конструктивные причины:
а) чрезмерный износ сопрягаемых поверхностей вакуумного насоса (АИЗН) и других агрегатов;
б) число оборотов ротора вакуумного насоса (пОБ);
в) порывы шлангов и других резинотехнических изделий;
г) излом и коробление пластмассовых деталей.
2. Эксплуатационные:
а) настройка вакуум-регулятора (Иф, тГРр);
б) герметичность молочно-вакуумной системы (QrM-B);
в) засоренность молочно-вакуумной системы (Qsm-b);
г) расход воздуха через доильные аппараты (Qaa - Qn, Qk, Qc Qm);
д) регулируемый запас расхода воздуха (Qp).
3. Технологические:
а) прососы воздуха при подключении доильных аппаратов (QCnod.);
б) прососы воздуха при снятии доильных аппаратов^Ссн);
в) прососы воздуха при случайных спаданиях доильных аппаратов с сосков вымени коровы во время доения (Qccn).
Основными причинами, влияющими на снижение производительности вакуумного насоса и на развиваемое им вакуумметрическое давление, являются потери производительности из-за негерметичности и засоренности различных элементов, составляющих ДМО, или в результате случайных прососов при нарушении технологического процесса доения. Для теоретического определения величин этих потерь, используя структурно-функциональную схему ДМО, приведённую на рисунке 1, составим уравнение баланса расхода воздуха для доильной установки АДМ-8А:
Qф - Qt - Qr - Qs - Qp = 0. (1)
Фактическая производительность вакуумной установки Qф разделяется на четыре составляющие: Qt - расход воздуха, идущий на обеспечение технологического процесса и работу узлов и агрегатов ДМО, Qr - потери подачи вакуумных установок из-за негерметичности в сопряжениях узлов и агрегатов, Qs - потери подачи из-за засоренности узлов и агрегатов, Qp - регулируемая подача воздуха через вакуумрегулятор.
Для того чтобы обеспечить рабочий процесс доения в оптимальном режиме, необходимо, чтобы соблюдалось условие:
Qф -(Qr+ Qs) - Qp>Qt ^ const, (2)
а это условие будет соблюдаться в том случае, когда Qp> (Qr+ Qs), при этом желательно чтобы Qp^max, а (Q/+ Qs)^ 0.
Накуумиах система
Система сбора и псриичнон обработки молока
Рд Им ь„
Д С
Рл Ьи Ьо
л С
РА Ьи IV)
л С
ДЛ-1
ДЛ-1 дли
Рисунок 1 - Структурно-функциональная схема доильной установки АДМ-8А ПдВ - обороты двигателя (эл.); Рв - давление на выхлопе; В.и - вакуумный насос; кфп - фактическое вакуумметрическое давление развиваемое насосом (пульсирующее); В.б - вакуумный баллон; кФВ - фактическое вакуумметрическое давление (выровненное); (),„ - фактическая подача насоса; В.р - вакуум-регулятор; тг - масса грузовых шайб; В.м - вакуумметр; И0 - рабочее вакуумметрическое давление; (¿р - резерв подачи насоса; В.пр - вакуумпровод; ()/ -потери подачи насоса из-за негерметичности систем; - потери насоса из-за засоренности вакуумпровода; О 'Ф - подача насоса с учетом потерь; В.к. 1,2... 1 - вакуумные краны; ()Фц - фактический расход воздуха доильным аппаратом; Д.в - доильное ведро; П - пульсатор; Рл - атмосферное давление; /?„ -вакуумметрическое давление за пульсатором; К - коллектор; Дс - доильные стаканы; ДА-1, II,.. л — доильный аппарат; Qгв - потери подачи насоса из-за негерметичности вакуумпровода; (¿¡м- потери подачи насоса из-за негерметичности молокопровода; М.пр - молокопровод; МВК1, 2.. л - молочно-вакуумный кран; М.сб - молокосборник; М.н - молочный насос; Ф - фильтр; Ох - охладитель; А.пром - автомат промывки; Рнв - давление на всасывании молочного насоса; Рид-давление, создаваемое молочным насосом; Рнф - давление за фильтром; ()фв - расход воздуха вакуумной системой; ()Фм~ расход
воздуха молочной системой
» * * * *
¡3
£ §
о
а
*
* * * *
При несоблюдении данного условия в системах доильной установки начинаются резкие макроколебания вакууметрического давления, что приводит к нарушениям процесса доения коров, т.к. изменяются все основные параметры работы доильных аппаратов.
Для того чтобы определить, как расходуется подача вакуумных установок, запишем уравнение баланса расхода воздуха (1) в более развернутом виде:
Оф - Ов - Ом - Ор - двб - Осу=о, (3)
где - расход воздуха через вакуумную систему (ЭБ); Ом - расход воздуха через молочную систему (ИБ); Овб - потери подачи в вакуумном баллоне; Осу - расход воздуха на собственные нужды установки.
Так как потери подачи Овб через вакуумный баллон и собственные потери установки Осу, являются потерями из-за негерметичности этих агрегатов, отнесем их к потерям из-за негерметичности вакуумной системы ОГв, тогда остальные составляющие уравнения (3) определим следующим образом:
Оф = ки*Пв*О„, (4)
где ки - коэффициент потери производительности вакуумного насоса из-за износа его сопрягаемых деталей; пв - количество вакуумных насосов в комплекте доильной установки; Оп - паспортная производительность вакуумного насоса.
Ов = ОТв + ОГв + ОЗв, (5)
где Отв - расход воздуха, обеспечивающий технологический процесс в вакуумной линии; ОГв -потери подачи вакуумной установки из-за негерметичности в вакуумной системе; ОЗв - потери подачи вакуумной установки из-за засоренности вакуумной системы.
Отв=! Опт + I ОСч.т , (6)
ОГв = Осу + Овб + Овп + I Qкрв+I Опв + I ОКв+ I ОдСв+ I ОШв+ Орг+Осл.в+ +1 Оуп<ОГвд (7)
ОГвд = Шв, (8)
<2Зв<кзОв, (9)
где Овп- потери подачи из-за негерметичности вакуумпровода; ОКрв - потери подачи из-за негерметичности вакуумного крана; ОПв - потери подачи из-за негерметичности пульсатора; ОКв -потери подачи из-за негерметичности коллектора; ОдСв - потери подачи из-за негерметичности доильных стаканов; ОШв - потери подачи из-за негерметичности вакуумных шлангов; Орг - потери подачи из-за негерметичности вакуумрегулятора; ОСл.в - случайные потери подачи через вакуумную систему; Оуп - потери подачи из-за негерметичности устройства для подъема моло-копровода; к коэффициент потерь подачи из-за негерметичности; кз - коэффициент потерь подачи из-за засоренности; ОГвд - допустимые потери подачи вакуумной установки из-за негерметичности в вакуумной системе; ОПт - расход воздуха, обеспечивающий технологический процесс работы пульсатора; ОСт - расход воздуха, обеспечивающий технологический процесс работы групповых счетчиков молока.
Аналогичным образом определяем потери в молочной системе:
Ом =Отм +Огм +Озм+ Осл.м, (10)
где ОТм - расход воздуха, обеспечивающий технологический процесс в молочной линии; ОГм - потери подачи вакуумной установки из-за негерметичности в молочной системе; ОЗм - потери подачи вакуумной установки из-за засоренности молочной системы; ОСлм- потери подачи вакуумной установки из-за случайных прососов воздуха при подключении и снятии доильных аппаратов.
Отм^ Окш = (11)
Огм = Омс +1 Осм +Опр +Омп+ 1Окрм+ 1Окм+ 1ОдСм+ 1Ошм<Огмд , (12)
QгмR = Шм, (13)
Озм<Ь£м, (14)
Осл.м = Оспод + Оссн + Оссп, (15)
где Омп- потери подачи из-за негерметичности молокопровода; ОКрм - потери подачи из-за негерметичности молочного крана; ОСм - потери подачи из-за негерметичности группового счетчика молока; ОКм - потери подачи из-за негерметичности коллектора; ОдСм - потери подачи из-за негерметичности доильных стаканов; - потери подачи из-за негерметичности молочных шлангов; Омс - потери подачи из-за негерметичности молокосборника; Опр - потери подачи из-за негерметичности переключателя режимов работы; ОКт - расход воздуха, обеспечивающий технологический процесс работы коллектора; ОГмд - допустимые потери подачи вакуумной установки из-за негерметичности в молочной системе; - площадь поперечного сечения дросселя коллектора; 1д - длина дросселя; t - время, ОСпод - прососы воздуха при подключении доильных аппаратов; ОСсн - прососы воздуха при снятии доильных аппаратов; ОСсп - прососы воздуха при случайных спаданиях доильных аппаратов.
Таким образом, расход воздуха, идущий на обеспечение технологического процесса доения, складывается в основном из трех составляющих:
От=1 Опт+ I Окт+ I 0ст^СОП81, (16)
а суммарные потери из-за негерметичности и засоренности равны:
ОГ =Огв 0, (17)
Оз =Озв 0, (18)
Расход воздуха через вакуумрегулятор будет равен:
ОР =ОРТ +ОРГ , (19)
где ОРТ - расход воздуха на регулировку и поддержание технологического процесса доения в оптимальных режимах; ОРГ - потери подачи из-за негерметичности вакуумрегулятора.
Обсуждение. Анализ полученных уравнений и структурно-функциональной схемы доильно-молочного оборудования позволяет определить основные точки потерь подачи вакуумной установки и построить схему влияния воздействия этих потерь на основные рабочие параметры доильных аппаратов [8], такие как: Ид - рабочее вакуу-метрическое давление под соском; пх - частота пульсаций, тСОС и тсж - продолжительность такта сосания и такта сжатия, жсР - целостность и упругость сосковой резины и тдд - масса подвесной части доильного аппарата и выявить последствия этого воздействия на изменения основных показателей эффективности доения (стереотип доения).
Все эти параметры, в основном, зависят от рабочего вакуумметрического давления (ИО), которое, в свою очередь, полностью зависит от фактической производительности вакуумной установки а значит и от потерь подачи вакуумной установки из-за негерметичности ОГ и из-за засоренности Оз узлов и агрегатов ДМО.
Частота пульсации с увеличением вакуумметрического давления уменьшается и наоборот [2, 3, 5, 6]. А так как в процессе доения допускаются резкие макроколебания вакуума в системе (АИо), то она также меняется, что приводит к нарушению стереотипа доения. С увеличением вакуумметрического давления увеличивается и продолжительность такта сосания [2, 3, 5, 6], что также отрицательно сказывается на животных и на процессе выведения молока из вымени.
Кроме того, на продолжительность такта сосания влияют и упругие свойства сосковой резины [2, 3, 5, 6]. Чем жестче сосковая резина, тем больший перепад давлений нужно приложить к её стенкам, чтобы они сомкнулись под соском коровы в такте сжатия, то есть такт сжатия наступает несколько позднее и его продолжительность уменьшается.
Кроме того, из-за неравномерности потока молока по молочному шлангу, которая происходит в результате подъема молока к молокопроводу во время доения, происходят колебания вакууметрического давления под соском (микроколебания) (АИд).
Заключение. Отсюда следует, что основными причинами, от которых зависит стабильность и эффективность работы доильно-молочного оборудования и которые требуют постоянного контроля, являются:
- оптимальность фактической производительности вакуумной установки Q&,
- потери подачи вакуумной установки из-за негерметичности Qr в целом и ее составляющих QIe и QIm;
- потери подачи из-за засоренности Q3 в целом и ее составляющих Q3e и Q3m;
- регулируемый расход воздуха через вакуумрегулятор Qp и его составляющих qPT и qPI.
Библиографический список
1. Антонов, Н.М. Показатели надежности вакуумной системы доильной установки [Текст]/Н.М. Антонов, В.А. Борознин, Ю.В. Бобылев // Вестник КрасГАУ. - 2009. - № 12. -С. 184-188.
2. Борознин, В.А. Метод оценки эффективности использования доильного оборудования [Текст]/В.А. Борознин, А.В. Борознин, Ю.В. Бобылев // Известия Нижневолжского агро-университетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - № 1(17). - С. 123-127.
3. Борознин, В.А. Эффективность использования доильных аппаратов в зависимости от их диагностирования [Текст] /В.А. Борознин, А.В. Борознин //MaterialyVIIImezinarodnivedecko-praktickakonference "Vznikmodernivedecke - 2012". - Dil 15.Biologickevedy.Ekologie.Zemepis a geologie.Zemedelstvi: Praha. Publishing House "Education and Science" s.r.o - s. 65...69.
4. Борознин, В.А. Теоретическая оценка показателей надежности вакуумной системы доильной установки [Текст]/В.А. Борознин, А.В. Борознин, Ю.В. Бобылев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2009. - №4(16). - С. 113-117.
5. Борознин, В.А. Оценка эффективность использования доильного оборудования в зависимости от уровня его надежности [Текст]/В.А. Борознин, А.В. Борознин, Ю.В. Бобылев // Труды XIV Международного симпозиума по машинному доению. - Углич, 2008. - С. 254-260.
6. Борознин, В.А. Повышение функционального состояния вакуумной системы доильных установок [Текст]/В.А.Борознин, Ю.В.Бобылев//Аграрный вестник Урала. - 2009. - №12. -С. 83-85.
7. Борознин, В.А. Модульно-блочная структура доильных установок и оценка их надежности [Текст]/ В.А.Борознин, А.В.Борознин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. - №4(36). - С. 220-225.
8. Борознин, В.А. Определение макро- и микроколебаний вакуума в системах доильного оборудования [Текст]/ В.А. Борознин, А.В. Борознин, Л.В. Борознин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2015. - №4(40). - С. 187-194.
9. Карташов, Л.П. Размеры молокопроводов доильных установок [Текст]/Л.П. Карташов, М.К. Базаров //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1969. - №3. - С. 22-24.
10. Карташов, Л.П. Концепция развития доильных аппаратов [Текст] / Л.П. Карташов, З.В. Макаровская // Техника в сельском хозяйстве. - 2003. - №1. - С. 15-18.
11. Малявкин, Н.П. Определение потерь вакуума в молокопроводах доильных установок [Текст]/Н.П. Малявкин//Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003. - №1. - С. 12-14.
Reference
1. Antonov, N. M. Pokazateli nadezhnosti vakuumnoj sistemy doil'noj ustanovki [Tekst]/ N. M. Antonov, V. A. Boroznin, Yu. V. Bobylev // Vestnik KrasGAU. - 2009. - № 12. - S. 184-188.
2. Boroznin, V. A. Metod ocenki ]ffektivnosti ispol'zovaniya doil'nogo oborudovaniya [Tekst]/V. A. Boroznin, A. V. Boroznin, Yu. V. Bobylev // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2010. - № 1(17). - S. 123-127.
3. Boroznin, V. A. Jeffektivnost' ispol'zovaniya doil'nyh apparatov v zavisimosti ot ih diagnostirovaniya [Tekst] /V. A. Boroznin, A. V. Boroznin //MaterialyVIIImezinarodnivedecko-praktickakonference "Vznikmodernivedecke - 2012". - Dil 15.Biologickevedy.Ekologie.Zemepis a geologie.Zemedelstvi: Praha. Publishing House "Education and Science" s.r.o - s. 65...69.
4. Boroznin, V. A. Teoreticheskaya ocenka pokazatelej nadezhnosti vakuumnoj sistemy doil'noj ustanovki [Tekst]/V. A. Boroznin, A. V. Boroznin, Yu. V. Bobylev // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2009. - №4(16). - S. 113-117.
5. Boroznin, V. A. Ocenka ]ffektivnost' ispol'zovaniya doil'nogo oborudovaniya v zavisimosti ot urovnya ego nadezhnosti [Tekst]/V. A. Boroznin, A. V. Boroznin, Yu. V. Bobylev // Trudy XIV Mezhdunarodnogo simpoziuma po mashinnomu doeniyu. - Uglich, 2008. - S. 254-260.
6. Boroznin, V. A. Povyshenie funkcional'nogo sostoyaniya vakuumnoj sistemy doil'nyh ustanovok [Tekst]/V. A. Boroznin, Yu. V. Bobylev//Agrarnyj vestnik Urala. - 2009. - №12. - S. 83-85.
7. Boroznin, V. A. Modul'no-blochnaya struktura doil'nyh ustanovok i ocenka ih nadezhnosti [Tekst]/ V. A. Boroznin, A. V. Boroznin // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2014. - №4(36). - S. 220-225.
8. Boroznin, V. A. Opredelenie makro- i mikrokolebanij vakuuma v sistemah doil'nogo oborudovaniya [Tekst]/ V. A. Boroznin, A. V. Boroznin, L. V. Boroznin // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2015. - №4(40). - S. 187-194.
9. Kartashov, L. P. Razmery molokoprovodov doil'nyh ustanovok [Tekst]/L. P. Kartashov, M. K. Bazarov //Mehanizaciya i ]lektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 1969. - №3. - S. 22-24.
10. Kartashov, L. P. Koncepciya razvitiya doil'nyh apparatov [Tekst] / L. P. Kartashov, Z. V. Makarovskaya // Tehnika v sel'skom hozyajstve. - 2003. - №1. - S. 15-18.
11. Malyavkin, N. P. Opredelenie poter' vakuuma v molokoprovodah doil'nyh ustanovok [Tekst]/N. P. Malyavkin//Mehanizaciya i ]lektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2003. - №1. - S. 12-14.
E-mail: titusbav@mail.ru.
