CC BY
28
УДК 637.116
АДАПТИВНЫЙ ДОИЛЬНЫЙ АППАРАТ С МЕХАНИЧЕСКИМ
ПУЛЬСАТОРОМ
В. Ф. Ужик, доктор технических наук, профессор Д.Н. Клёсов, аспирант
Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина Е-mail: uzhik16@rambler. ru
Аннотация. В статье представлено обоснование выбранной темы, ее актуальность. Сложность процесса машинного доения заключается в том, что эффективность и полнота молоковыведения зависит, с одной стороны, от рефлекторной деятельности организма, а с другой - от технических характеристик доильного оборудования. В результате множества исследований, более широкое распространение получили двухтактные доильные аппараты. Скорость выдаивания двухтактным доильным аппаратом выше по сравнению с другими. Использование адаптивных доильных аппаратов позволяет повысить молочную продуктивность коров и снизить их заболевание маститом. В результате сбора фактического материала, обзора запатентованных конструкций и изучения принципа их работы, составлена классификация доильных аппаратов, а также классификация пульсаторов доильных аппаратов. Объединение положительных качеств известных технических решений пульсаторов доильных аппаратов в одной конструкции позволит максимально приблизить режим работы разрабатываемого устройства к оптимальному. В статье представлено описание конструкции предлагаемого пульсатора для адаптивных доильных аппаратов, принципа его работы. Математическим моделированием рабочего процесса пульсатора установлено, что как горизонтальная, так и вертикальная составляющая усилия прижатия золотника к внутренней поверхности корпуса пульсатора, равно как необходимый крутящий момент привода золотника и усилие его перемещения по оси ординат зависят от коммутируемых атмосферного и вакууммет-рического давления, диаметра золотника, площади золотника, воспринимающей разность давлений, угла наклона разделительной пластины и коэффициента трения.
Ключевые слова: доильный аппарат, пульсатор для адаптивных доильных аппаратов, золотник, ваку-умметрическое давление, атмосферное давление.
Введение. До настоящего времени остается актуальной проблема повышения эффективности машинного доения коров. Данный процесс совершенствуется с каждым годом за счет модернизации доильных аппаратов, чаще - их составных частей.
Сложность процесса машинного доения заключается в том, что эффективность и полнота молоковыведения зависит, с одной стороны, от рефлекторной деятельности организма, а с другой - от технических характеристик доильного оборудования [3]. На сегодняшний день уровень развития науки и техники позволяет создавать различные адаптивные доильные аппараты, оснащенные различными по конструкции датчиками потока молока, пульсаторами различных конфигураций, автоматизирующие процесс доения и в более полной мере отвечающие физиологии вымени коров [2]. Принцип действия существующих доильных аппаратов
довольно прост: высасывание молока из вымени коровы (так же, как это делает теленок) и сжатие соска для восстановления нормального кровообращения в соске и вымени коровы.
На сегодняшний день известны доильные аппараты: двухтактные; трехтактные; непрерывного отсоса; выжимающего принципа действия. В результате множества исследований более широкое распространение получили двухтактные доильные аппараты. Скорость выдаивания двухтактным доильным аппаратом выше по сравнению с другими.
Подавляющее число специалистов по конструированию доильных аппаратов считает, что быстрое доение обеспечивает наиболее полное выдаивание вымени и оказывает положительное влияние на состояние молочной железы. Но все доильные аппараты работают, как правило, в одном и том же режиме, независимо от особенностей коровы,
х
отсоса
X
скорости молокоотдачи и физиологических состояний животного.
В связи с тем, что доли вымени коров имеют ярко выраженную неравномерность развития, необходимо создание такого доильного оборудования, которое обладало бы достаточной пропускной способностью и адаптивными свойствами. Использование адаптивных доильных апп^ятгт пп^пштаэт повысить молочную прод и снизить их заболевание ]
Но до сих пор, к сож< ного мнения относительш и конструкции исполните ма. Пока нет аппарата, кс полностью копировать ре мый теленком при сосан Такой доильный аппарат жет быть создан по двуь чинам. Во-первых, слож] и громоздкость конструк во-вторых, создание так аппарата экономически г целесообразно [4, 7]. Поэтому продолжается поиск технических решений устройств, которые достаточно эффективно воздействуют на молочную железу и в то же время не требуют больших затрат на их реализацию.
Цель исследований - повышение эффективности адаптивного доильного аппарата путем обоснования конструктивно-режимных параметров пульсатора, обеспечивающего изменение частоты пульсаций и соотношения тактов сосания и сжатия в доильном стакане в зависимости от интенсивности потока молока.
Обоснование конструктивной схемы адаптивного доильного аппарата. Современные доильные аппараты и в нашей стране, и за рубежом работают при разрежении 42-53 кПа, а в некоторых конструкциях
этот диапазон намного шире (33,3-91,3 кПа). Частота пульсаций варьирует от 40 до 120 пульсов в минуту.
В результате сбора фактического материала, обзора запатентованных конструкций и изучения принципа их работы составлена классификация доильных аппаратов (рис. 1).
Поильный аппарат
По типу баку ума
низковакуумные Высоковакуумные
По способу управления
по Вымени В целом по долям Вымени по четвертям Вымени
По принципу дейстбия
двухтактные
трехтактные
X
Выжимающего принципа дейстдия
По режиму роботы
с регулируемыми параметрами
с нерегулируемыми параметрами
изменение числа пульсаций
Т
изменение соотношения тактов
X
изменение соотношения тактов и числа пульсаций
X
изменение рабочего Вакуума
X
комбинированное изменение
Вручную
с помощью АСУ
X
заданные конструктивные параметры
По типу датчика потока молока
поплабкоВыи
электронный
молокалоВушка расходомер
датчик давления
биметаллический
лопастной
электромагнитный
По типу пульсатора
пнедматический
электронный
гидравлический
механический
магнитоупраВляемый
По типу доильных стаканов
однокамерные
двухкамерные
Рис. 1. Классификация доильных аппаратов
В результате обзора запатентованных конструкций и изучения принципа их работы составлена классификация пульсаторов доильных аппаратов (рис. 2) [11].
Пульсаторы
Па принципу работы
попарного синхронного
доения довния
| По режиму работы
Рис. 2. Классификация пульсаторов доильных аппаратов
Объединение положительных качеств известных технических решений в одной конструкции позволит максимально приблизить режим работы разрабатываемого устройства к оптимальному. В результате синтеза конструкций пульсаторов доильных аппаратов нами был разработан гидравлический пульсатор с магнитоуправляемой стабилизирующей жидкостью [8, 10, 12], а также пульсатор (рис. 3), состоящий из корпуса с крышкой, на которой установлен электродвигатель со шлицевым валом, золотника и пневмоци-линдра, шток которого соединен с золотником [5, 9, 11].
Золотник соединен со шлицевым валом электродвигателя с возможностью продольного перемещения по нему в корпусе пульсатора штоком пневмоцилиндра и одновременного вращения под воздействием электродвигателя. Пневмоцилиндр патрубком соединен с устройством управления давлением (на схеме не показано).
Рис. 3. Механический пульсатор:
1, 2, 7, 15 - патрубки; 3, 5 - камеры вакуум-метрического давления; 4, 12, 14 - отверстия;
6 - корпус; 8 - золотник; 9 - шлицевой вал;
10 - крышка; 11 - электродвигатель; 13, 16 - камеры атмосферного давления; 17 - шток; 18 - корпус
Отличительной особенностью пульсатора является то, что разделительные пластины камеры вакуумметрического и камеры атмосферного давления золотника (рис. 4) выполнены по спирали с отклонением от вертикали в противоположных направлениях, тем самым обеспечивая различное расстояние между ними по длине золотника.
Рис. 4. Золотник / ш ^ пульсатора:
1, 2 - разделительные
пластины камер вакуумметрического атмосферного давления
Пульсатор работает следующим образом. Патрубок 2 (рис. 3) подключают к источнику постоянного вакуумметрического давления, электродвигатель 10 к сети электрического тока, патрубок 1 пневмоцилиндра 16 соединяют с устройством управления давлением (на схеме не показано), а патрубки 7 и 14 - с межстенными камерами двух пар доильных стаканов (на схеме не показаны).
Вакуумметрическое давление через патрубок 2 поступает в камеру 3 постоянного вакуумметрического давления корпуса 6 и через отверстие 4 в камеру 5 вакуумметриче-ского давления золотника. А атмосферное давление через отверстие 11 в крышке 9 поступает в камеру 12 постоянного атмосферного давления в корпусе 6 и через отверстие
13 в камеру 15 атмосферного давления золотника 8. При вращении золотника 8 камера 5 постоянного вакуумметрического давления и камера 15 постоянного атмосферного давления поочередно сообщаются с патрубком 7, соединенным с межстенной камерой одной пары доильных стаканов (на схеме не показаны), и патрубком 14, соединенным с межстенной камерой другой пары доильных стаканов (на схеме не показаны), обеспечивая в них переменное вакуумметрическое давление. Изменяя частоту вращения золотника 8 электродвигателем 10, изменяют частоту пульсаций пульсатора. Для изменения соотношения тактов при помощи пневмоци-линдра 16 перемещают золотник 8 по вертикали, тем самым совмещая с отверстиями 7 и
14 в корпусе пульсатора, соединенными с межстенными камерами доильных стаканов, зоны золотника с различным расстоянием между разделительными стенками 1 и 2 (рис.
4) [5].
В результате обзора состояния доильных аппаратов в ряде хозяйств выявлено, что вследствие конструктивных особенностей в
о
0
восьми из десяти случаев причиной их отказа является пульсатор. Из них по технологическим причинам, включающим изменение вакуумметрического давления, сбой в работе пульсатора наблюдается приблизительно в 15% случаев, а по конструктивным - около 65% отказов, одной из причин которых является, в частности, негерметичность (35%).
На золотник разработанного нами пульсатора действует сила прижатия F к внутренней поверхности корпуса пульсатора (рис. 5), которая определяется по формуле:
F = S • (Рдтм — ¿ВАК), где S - площадь золотника, воспринимающая воздействие разности давления РАТМ и РВАК, м ; РАТМ - атмосферное давление, Па; РВАК - вакуумметрическое давление, Па.
Горизонтальная составляющая Fx силы прижатия определяется по формуле: Fx = S • (Ратм - РВАК) • sin а, где а - угол наклона разделительных пластин золотника, град.
Вертикальная составляющая FY силы прижатия F, воздействующей на разделительную пластину золотника, будет равна:
Fy = S • (Ратм - Рвак) • cos а-Полное
усилие Fny, воздействующее на золотник пульсатора по оси ординат, зависит от площади его поперечного сечения S2, равной:
S2 = S'2 + S2 + S • cosa, где S'2 и S2 - площади соответственно верхней и нижней цилиндрической части зо-
"пздействие раз-юй плоскости, писать:
nd2
osa = —,
4 '
е D - диаметр
олотника, м.
Отсюда пол'' Z7
ное усилие г пу будет равно:
f — hel Гпу — 4 1
\ТМ — Рвак)
вуншщх
Выводы. Математическим моделированием рабочего процесса пульсатора установлено, что как горизонтальная, так и вертикальная составляющие усилия прижатия золотника к внутренней поверхности корпуса пульсатора, равно как необходимый крутящий момент привода золотника и усилие его перемещения по оси ординат, зависят от коммутируемых атмосферного и вакууммет-рического давления, диаметра золотника, площади золотника, воспринимающей разность давлений, угла наклона разделительной пластины и коэффициента трения. Применение адаптивных доильных аппаратов с предлагаемым механическим пульсатором позволит повысить надой от коров на 3-5%.
Литература:
1. Белокобыльский А.А. Обоснование параметров доильного аппарата с управляемым режимом работы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. №11.
2. Манипулятор доильной установки / Капустин И.В. и др. // Сельский механизатор. 2015. №1. С. 27.
3. Механизация, электрификация и автоматизация животноводства / Л.П. Карташов и др. М., 1997. 368 с.
4. Кирсанов В.В. Оптимальный режим регулирования вакуума в доильном аппарате // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. №8. С. 16-18.
5. Пат. 2539957 ЯИ. Пульсатор для доильных установок / Ужик В.Ф. и др. Заяв. 16.10.13; Опубл. 27.01.15.
6. Ужик О.В. К обоснованию параметров регулирующих устройств адаптивного доильного аппарата // Вестник Казанского ГАУ. 2013. №4. С. 82-86.
7. Ужик О.В. Математические модели технологического и технического обеспечения молочного скотоводства. Белгород, 2012. 290 с.
8. Магнитоуправляемая жидкость в пульсаторе доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Достижения науки и техники АПК. 2014. Т. 28. С. 57-60.
9. Механический пульсатор для доильных аппаратов / В.Ф. Ужик и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №4.
10. Нанотехнологии - в машинном доении коров / В.Ф. Ужик и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 4.
11. Пульсатор адаптивного доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Сельский механизатор. 2014. №12. С. 26.
12. Ужик В.Ф. Ферромагнитная жидкость в пульсаторе доильного аппарата // Вестник КГСХА. 2014. №4.
Literatura:
1. Belokobyl'skij A.A. Obosnovanie parametrov doil'nogo apparata s upravlyaemym rezhimom raboty // Mekhaniza-ciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2007. №11.
2. Manipulyator doil'noj ustanovki / Kapustin I.V. i dr. // Sel'skij mekhanizator. 2015. №1. S. 27.
3. Mekhanizaciya, ehlektrifikaciya i avtomatizaciya zhi-votnovodstva / L.P. Kartashov i dr. M., 1997. 368 s.
4. Kirsanov V. V. Optimal'nyj rezhim regulirovaniya vaku-uma v doil'nom apparate // Mekhanizaciya i ehlektrifika-ciya sel'skogo hozyajstva. 2002. №8. S. 16-18.
5. Pat. 2539957 RU. Pul'sator dlya doil'nyh ustanovok / Uzhik V.F. i dr. Zayav. 16.10.13; Opubl. 27.01.15.
6. Uzhik O.V. K obosnovaniyu parametrov reguliruyu-shchih ustrojstv adaptivnogo doil'nogo apparata // Vestnik Kazanskogo GAU. 2013. №4. S. 82-86.
7. Uzhik O. V. Matematicheskie modeli tekhnologichesko-go i tekhnicheskogo obespecheniya molochnogo skoto-vodstva. Belgorod, 2012. 290 s.
8. Magnitoupravlyaemaya zhidkost' v pul'satore doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Dostizheniya nauki i tekh-niki APK. 2014. T. 28. S. 57-60.
9. Mekhanicheskij pul'sator dlya doil'nyh apparatov / V.F. Uzhik i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2014. №4.
10. Nanotekhnologii - v mashinnom doenii korov / V.F. Uzhik i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2014. № 4.
11. Pul'sator adaptivnogo doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Sel'skij mekhanizator. 2014. №12. S. 26.
12. Uzhik V.F. Ferromagnitnaya zhidkost' v pul'satore doil'nogo apparata // Vestnik KGSKHA. 2014. №4.
ADAPTIVE MILKING MACHINE WITH A MECHANICAL PULSATOR V.F. Ujik, doctor of technical sciences, professor D.N. Klesov, post graduate student FGBOY VO Belgorod State agrarian university
Abstract. The article presents chosen theme substantiation, its relevance. The milking machine process's difficulty is that its effectiveness and milk flow fullness depend on the one hand, from the organism reflex activity, and on the other - from the milking equipment's technical characteristics. /Is a result of numerous studies, more widespread have two-cycled milking machines. The two-cycled milking machines' speed is higher in comparison with other. The adaptive milking machines use allows cow milk production to increase and their mastitis disease reduce. As a result of the factual material collection, patented constriction review and its work principle learning, the milking machines classification is composed, and classification of milking machines' pulsators as well. The milking machines pulsators' known technical solutions positive qualities combine on the other hand allows maximally to close the developed device's operation mode to the optimum one. The article presents description of the proposed adaptive milking machines pulsator's construction, its operation's principles. According to pulsator workflow's mathematical modeling both horizontal and vertical components of pressing spool to the pulsator body inner surface as well as the spool's required torque of the drive spool and the force of its movement along the axis of ordinates depend on commutated atmosphere and vacuum metric pressures, the spool diameter, spool square that perceiving the pressure difference, the angle inclination of the separator plates and the friction coefficient. Keywords: milking machine, an adaptive milking machines' pulsator, spool, vacuum metric pressure, atmospheric pressure.
