К обоснованию конструктивных параметров регулятора вакуумметрического давления доильного аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 636.2.034: 631.3

К ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ВАКУУММЕТРИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА

О.В. УЖИК, кандидат технических наук, доцент Белгородская ГСХА имени В.Я. Горина E-mail: oksanauzhik@mail.ru

Резюме. Эффективность и полнота молоковыведения при доении коров зависит не только от рефлекторной деятельности организма животного, но и от технических характеристик доильного оборудования. В связи с этим необходимо создание таких машин, которые обладали бы возможностью изменения режима доения каждой доли вымени в отдельности в зависимости от интенсивности потока молока в ней. Цель наших исследований - повышении эффективности машинного доения коров путем оптимизации конструктивно-режимных параметров регулятора вакуумметрического давления в подсосковой камере доильного стакана. Для достижения поставленной цели выполнено математическое моделирование рабочего процесса регулятора вакуумметрического давления в под-сосковой камере доильного стакана, получено уравнения для расчета его основных конструктивных параметров. При диаметре отверстия патрубка, дросселируемого внутренней поверхностью трубки, равном 0,005 м, с ростом потока молока через регулятор от 0 до 2000 мл/мин. наблюдается уменьшение прогиба трубки немногим менее чем на 0,5 мм, в то время как для диаметра отверстия 0,011 м перемещение стенки трубки уменьшается на 0,2 мм. Лабораторными испытаниями подтверждена правильность теоретических положений, а согласно производственным испытаниям экспериментального доильного аппарата с почетвертным управлением вакуумным режимом выведения молока из вымени животных он способствует более полной реализации рефлекса молокоотдачи, по сравнению с доильным аппаратом «Гасконье Мелотт». Разработанный аппарат отличается более высокой пиковой интенсивностью моло-ковыведения, равной З,284 кг/мин. (против 2,448 кг/мин. у доильного аппарата «Гасконье Мелотт») и сокращенным временем до пиковой интенсивности молокоотдачи (З4 сек. против 45 сек.). В результате он обеспечивает более полную выдоенность за 1 и З мин. доения. Годовой экономический эффект с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания, в расчете на 1 гол. составляет З029,25 руб. Ключевые слова: доильный аппарат, регулятор, трубка, камера, корова, вымя.

Известно, что эффективность и полнота молоко-выведения при доении коров зависит не только от рефлекторной деятельности организма животного, но и от технических характеристик доильного оборудования [1]. Для предотвращения вредного воздействия на молочную железу коровы доильные установки снабжены многорежимными доильными аппаратами, обеспечивающими изменение вакуумного режима доения, частоты и соотношения тактов в зависимости от интенсивности потока молока, или автоматами снятия доильных аппаратов по завершению доения [2]. Однако, как известно, вымя коров зачастую имеет ярко выраженную неравномерность развития. В связи с этим необходимо создание таких доильных машин, которые обладали бы возможностью изменения режима доения каждой доле вымени коров в отдельности в зависимости от интенсивности потока молока в ней.

Цель наших исследований - повышение эффективности машинного доения коров путем оптимизации конструктивно-режимных параметров регулятора вакуумметрического давления в подсосковой камере доильного стакана.

Для ее достижения решали следующие задачи:

выполнить математическое моделирование рабочего процесса регулятора вакуумметрического давления в подсосковой камере доильного стакана;

провести лабораторные испытания регулятора вакуумметрического давления и производственные испытания аппарата с почетвертным управлением вакуумным режимом выведения молока из вымени животных.

Условия, материалы и методы. Доильный аппарат обеспечивает в процессе доения изменение вакуумного режима как в межстенной, так и в подсосковой камере доильного стакана, в зависимости от интенсивности потока молока, регистрируемого поплавковым датчиком [3]. Очевидно, что внутреннее вакуумметрическое давление Рд в камере 2 регулятора вакуумметрического давления (рис. 1), сообщаемой с подсосковой камерой доильного стакана, зависит от внешнего вакуумметрического давления Рупр в камере 3, так как трубка 1, деформируясь в сторону камеры 2 под воздействием перепада давления между камерами 2 и 3, стремится разъединить камеры 2 и 4, тем самым ограничивая отсос воздуха по патрубку 5 через щели 6 из камеры 2 и далее подсосковой камеры доильного стакана. В результате, вакуумметрическое давление в камере 2 стремиться к значению вакуумметрического давления в камере 3.

Рис. 1. Схема регулятора вакуумметрического давления: 1 - трубка; 2 - камера регулятора вакуумметрического давления; 3, 4 - камеры; 5 - патрубок; 6- щели.

Допустим, что трубка 1 в корпусе регулятора установлена без предварительного натяжения. Тогда при условии,что:

Р = Р = 0,

д упр ’

деформации и напряжения в стенке трубки отсутствуют, а при Рд и Рупр не равных нулю существуют перемещения w от начального состояния к рассматриваемому деформированному.

Определим уменьшение диаметра Adтр трубки по длине под воздействием внешней нагрузки до потери устойчивости ее цилиндрической оболочки, условия

Рис. 2. Деформация трубки под внешней нагрузкой.

которой приведены в специальной литературе [4]. Для этого допустим, что при Рд и Рупр не равных нулю образующая АВтрубки 1 (рис. 2) в деформированном состоянии представляет собой дугу радиусом Я, в то время как при условии Рд = Рупр она представляет собой прямую, которая служит хордой А’В’ дуги АВ. Тогда можно записать:

^^-(к-иО2, (1)

где I - длина трубки, м; w - прогиб трубки, м. Откуда:

/ + 4иг 8іу

(2)

Расположим начало Декартовой системы координат в центре О окружности радиусом Я, дуга АВ которой служит образующей трубки 1 в деформированном состоянии. Тогда расстояние ОС от центра О окружности до хорды А’В’ будет равно:

ОС:

(3)

Отсюда мы можем определить уменьшение диаметра Дб трубки по ее длине:

д£/Тр=2(//^-°с),

(4)

где у - ордината плоскости сечения трубки, в которой определяем уменьшение диаметра, м:

~-<у<~. (5)

2 2

Тогда уравнение, характеризующее изменение диаметра бу трубки для точки с ординатой у, будет иметь вид:

[1 (I2 + 4и/21 2 \( I2 + 4IV2 ^ 2 т2|

N 00 -у Л 00 - Я) /

Чу =4,-2

где б1 - наружный диаметр трубки, м. Длину дуги АВ определим из уравнения:

(6)

4\м1

І I2 + 4\лг2

АВ = 2Г1агс8іп — =-------------------агсвіп -, ,.

2 Я 4іу і2+4\лґ2

(7)

Очевидно, что трубка находится в объемном напряженном состоянии. Определим относительные дефор-

мации е1, е2 и е3 в направлениях главных напряжений при объемном напряженном состоянии, воспользовавшись законом Гука для одноосного напряженного состояния, а также зависимостью между продольной и поперечной деформациями и принципом независимости действия сил [5]. В общем виде система уравнений, характеризующих напряженное состояние, имеет вид:

Єі=^[оі-^(о2+о3)]-

Є2=^[°2-Ц(Оі+Оз)].

Єз=^[°з-^(02+0і)].

(8)

где £ 1, е2 и е3 - относительные деформации соответственно в радиальном, окружном и продольном направлении трубки; а1, а2 и а3 - соответственно радиальное, окружное и продольное напряжение, Н/м2; Е - модуль упругости, Н/м2; ц - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

Относительную деформацию в радиальном направлении мы можем представить в виде:

АЛ о,

(9)

г,р =—- = —,

1 Л Е

где ДЛ - деформация стенки трубки, м; Л - толщина стенки трубки, м.

Тогда в окружном и продольном направлениях относительная деформация будет равна:

Д/7

1(23)

(10)

В окружном направлении относительную деформацию е| мы можем представить в виде:

71 [(4-/7)— (</,-/»)] (<*,-(/„) Р2

е; =

л (</, - Л)

(11)

Тогда в радиальном и продольном направлениях относительная деформация е°(13) может быть представлена в виде:

ж^-с1у) о п (с/, - /7) Е

(12)

Относительная деформация е!| в продольном направлении - это отношение разности длин дуги хорды к длине хорды:

" (13)

г"= АВ-АВ

Тогда в радиальном и окружном направлениях относительная деформация Єз(12) может быть представлена в виде:

г"Ю2)=-и(АВ-Ав)=-и^, (14)

Перепишем систему уравнений (8) с учетом полученных зависимостей:

Л/7 *(<*,-«О (ав-Ав) і г п

— +А/—т------------------~ = — о, -ц(а, +б,) ,

Л тг^-Л) АВ £1 1

(*!-*,) АЛ (АВ-АВ) і Ч1

+<,.Я' (15)

(АВ-ЛВ') дл я (</,-£*„) і

Решая данную систему уравнений, мы можем определить радиальное напряжение о1, возникающее при деформации трубки на величину w:

__ Достижения науки и техники АПК, №6-2013

д/, ті (с/, — с/ ) (/Ш-Хв)

—+ц—Ч------------4-й---

Л я^-Л) ЛВ

+ ц£

(<*,-<*,) дл (ав-ав)

-'?—Ч+и---------у----------

И Ь Н АВ

Iі Ц 1-ц2 1-ц2 )

Ц2Е

(АВ-АВ) щ , (гі,-<*,)! ц Л («.-■*,) з ^ , (« - АВ У

АВ /7 я (с^-А) й АВ

(16)

(АВ-АВ) дл | я(с/,-с/у) АВ Л л (с/ И) -Ц2Е (<#1 -<0 ДЛ (ДВ-ЛВ)' А- и+ и и V 1 (а,-л) п ав

('-О Г, 2 Ц’+Ц" +Ц2 + Ц,!'| І. ц 1-ц2 1-ц2 )

где о( - не что иное, как перепад давлений на стенке трубки:

с1 = Р - Р .

1 упр д

(17)

Отсюда искомое значение внешнего вакуумме-

трического давления Р в камере 3 будет равно:

Р

: Р + ^.

д1

(18)

Очевидно, что перемещение трубки ш обусловлено интенсивностью истечения потока молока из подсосковой камеры доильного стакана в трубку, интенсивностью откачивания воздуха по этому же пути, а также размером щели 6 между отверстиями патрубка 5 (см. рис. 2) и внутренней стенкой трубки 1:

ш = Ав - (а1 + а2)

(19)

а, =

2^0„.2д

Н„ +

(Ро-Р.)

(19)

О.

лсҐ

<ра-ра)-

(20)

Ш.5/А

|4^(Р-Р)'

Тогда полное перемещение трубки О

V/ = Де - -

2Ц,яОт 2д

Н„ +

(Ра-Р»)

У

И.8А

4яОЦРа-Р)'

(21)

(22)

Отсюда, с учетом полученного уравнения для расчета полного перемещения трубки, мы можем определить внешнее управляющее давление Рупр для обеспечения необходимого вакуумметрического давления доения коровы в зависимости от интенсивности потока молока.

Производственные испытания, разработанного доильного аппарата с управляемым режимом доения проводили на молочном комплексе ЗАО «Бобрав-ское» Ракитянского района на коровах черно-пестрой породы с удоем более 4000 кг при привязном их содержании.

Для этого был изготовлен опытный образец доильного аппарата с регуляторами вакуумметрическо-го давления в подсосковых камерах, выполненными в молочных трубках доильных стаканов.

Результаты и обсуждение. Для проверки адекватности математической и эмпирической моделей зависимости вакуумметрического давления в подсосковой камере доильного стакана в качестве факторов, влияющих на этот параметр, выбрали вакуумметрическое давление в камере управления, а также длину и диаметр трубки регулятора вакуума. Как показывают расчеты (рис. 3), при диаметре отверстия патрубка, дросселируемого внутренней поверхностью трубки, равном 0,005 м, с ростом потока молока через регулятор от 0 до 2000 мл/мин. наблюдается уменьшение прогиба трубки немногим менее, чем на 0,5 мм, в то время как для диаметра отверстия 0,011 перемещение стенки трубки уменьшается на 0,2 мм.

где Ав - размер щели между отверстиями патрубка и внутренней стенкой трубки, м; а1 и а2 - перемещение трубки, зависящее от интенсивности потока соответственно молока и воздуха, м.

Кольцевую щель, образуемую трубкой, будем рассматривать как незатопленное отверстие круглой формы. В таком случае:

где ц1 - коэффициент расхода жидкости через прямоугольное отверстие; Н0 - напор истечения, м; Dт - диаметр отверстий камеры 4 патрубка 5, м; у - удельный вес молока, Н/м3; Ра - давление в молокоприемной камере, Па (д - ускорение свободного падения, д = 9.81 м/с3).

Перемещение мембраны а2 , в связи с необходимостью образования щели для откачки воздуха, с учетом того, что [6]

128цА

где Qв - расход воздуха через трубку, м3/с; бп -приведенный диаметр отверстия для расхода воздуха, м; цв - динамическая вязкость воздуха, м2с; - толщина стенки отверстия, м; равно:

Рис. 3. Деформация трубки регулятора вакуумметрического давления.

Обработка результатов измерений показала, что экспериментальные данные с необходимой точностью можно представить в виде математических моделей (рис. 4). Например, для трубки длиной 45 мм и диаметром 28 мм:

у = -3,09861 + 0,97222х + 0,000463х2,

(23)

где у - давление в межстенной камере регулятора, кПа; х1 - интенсивность потока молока, мл/с; х2 - ва-куумметрическое давление доения, кПа.

Для трубки длиной 45 мм и диаметром 33 мм:

у = -2,10139 + 0,929167х2 + 0,000926х22. (24)

Для трубки длиной 45 мм и диаметром 38 мм:

у = -2,10139 + 0,92917х2 + 0.00093х22. (25)

Поток молока, мл

Рис. 4. Характер зависимости вакуумметрического давления в межстенной камере регулятора от интенсивности потока молока и давления доения для трубки длиной 45 мм и диаметром 28 мм.

Близкий к единице коэффициент детерминации для этих уравнений (П2=0,99961...0,99998), очень большое расчетное значение статистики F (1=29656,2.67396,2) и ничтожно малая значимость F=2,83.10-7...8,4.10-7, свидетельствуют о высокой адекватности моделей.

Рассматривая по результатам исследований вакуумметрическое давление в межстенной камере регулятора при давлении доения 33 кПа и 48 кПа как функцию от длины и диаметра трубки, мы получили следующие эмпирические модели:

Для вакуумметрического давления доения 33 кПа:

у = 16,2918 + 0,393х3 + 0,09733х42 -

- 0,001х3х4 - 0,00267х32 - 0,00067х42, (26)

где х3 - длина трубки, мм; х4 - диаметр трубки, мм. Для вакуумметрического давления доения 48 кПа:

у = 30,2 + 0,5х3 - 710-16х4 - 7,7- 10-18х3х4 -

- 0,004х32 + 5,7- 10-18х42 (27)

Так, в регуляторе вакуумметрического давления с трубкой длиной 45 мм и толщиной стенки 2 мм, при модуле упругости материала трубки 2 МПа, диаметре отверстий Т-образного патрубка 0,005 м, кинематической вязкости воздуха 0,000017 Пас, щели между отверстиями Т-образного патрубка и внутренней стенкой трубки 0,01 м и давлении в магистрали доильного аппарата 50 кПа, при необходимости доения давлением 33 кПа, в межстенной камере должно быть давление 29,4 кПа, а при доении с давлением 48 кПа - 44,6 кПа.

В производственных испытаниях установлено, что разработанный доильный аппарат работоспособен и эффективен на всех режимах доения коров. Как показывают результаты исследований, он способствует более полной реализации рефлекса молокоотдачи, по сравнению с доильным аппаратом «Гасконье Мелотт».

Он характеризуется более высокой пиковой интенсивностью молоковы-ведения, равной 3,28 кг/мин. (против 2,45 кг/мин. у доильного аппарата «Гасконье Мелотт») и меньшим временем до пиковой интенсивности молокоотдачи (34 сек. против 45 сек.). В результате экспериментальный доильный аппарат обеспечивает более полную выдоенность за 1 и 3 мин. доения.

Годовой экономический эффект доильного аппарата с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания, в расчете на 1 гол., составляет 3029,25 руб.

Выводы. Установлена зависимость режима работы регулятора вакуумметрического давления доильного аппарата от его конструктивных параметров, принимаемых из соображений, связанных с ограничениями по габаритам устройства, его массе и требуемому давлению, поддерживаемому в под-сосковой камере доильного стакана в процессе выведения молока из вымени коровы.

Литература.

1. Кормановский Л.П. Новый этап технического прогресса в машинном доении //Техника в сельском хозяйстве. - 1995. -

№4.

2. Лукманов Р.Р., Зиганшин Б.Г., Гаязиев И.Н. К вопросу автоматизации процесса машинного доения коров//Вестник Казанского ГАУ. - 2012. - № 3 (25). - С. 87-90

3. Патент №2367147 RU, С1 мПк А 01J 5/04 Адаптивный доильный аппарат/Ужик О.В., Ужик Я.В. (RU). - №2008128329/12; Заявлено 11.07.2008; Опубл. 20.09.2009, Бюл. №26

4. Соловьев С.А., Карташов Л.П. Исполнительные механизмы системы «человек - машина - животное». - Екатеринбург: УрОРАН, 2001. - 179 с.

5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник. - Изд. шестое, стереотипное. - Главная редакция физикоматематической литературы изд-ва «Наука», 1972. - 544 с.

6. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов: Учебное пособие для студентов вузов. - 2-е изд. перераб. - Л.: Агропромиздат, 1985. - 640 с.

TO THE JUSTIFICATION DESIGN PARAMETERS REGULATOR VACUUM PRESSURE THE MILKING

MACHINE

O.V. Uzhik

Summary. It is known that the effectiveness and completeness of milking cows in lactation depends not only on the reflex activity of the animal, but also on the characteristics of the milking equipment. In this regard, necessary to create such milking machines, which possess the ability to change modes milking each udder lobe individually in dependence of the milk flow there. The purpose of this research is to improve the efficiency of machine milking cows by optimizing the structural and operational parameters control the vacuum pressure in the chamber teat cup. To achieve this goal mathematically modeled workflow control vacuum pressure in the chamber teat cup, obtained equation to calculate its basic design parameters. Found that the opening diameter of the nozzle, the inner surface of the tube throttled equal to 0,005 m, with increasing milk flow through the regulator from 0 to 2000 ml / min, a decrease of deflection tubes slightly less than 0.5 mm, while for the diameter Bore 0.011 displacement of the tube wall is reduced by 0.2 mm. Laboratory tests confirmed the correctness of theoretical positions, and conducted production trials with the device management mode vacuum removal of milk from the udder of the animals on each part separately. As the results of production tests, the experimental milking machine contributes to a more complete implementation of the milk ejection reflex, compared with a milking machine "Gascon Melott." He has a higher peak intensity of lactation equal to 3,284 kg / min vs. 2,448 kg / min milking machine "Gascon Melott." Shorter, 34. against 45. has experimental milking machine to a peak intensity of milk. As a result, the experimental milking machine provides a more complete for 1 and 3 minutes of milking. The annual economic effect of the milking machine with the reduced costs and completeness of milking, per 212 cows is 642 201.81 rubles, and on one head - 3029.25 rubles.

Keywords: milking machine, regulator, tubing, camera, cow's udder.