CC BY
9
УДК 637.116
К ОБОСНОВАНИЮ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОПЛАВКА ДАТЧИКА
ПОТОКА МОЛОКА ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ПОДОЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВАКУУМНЫМ РЕЖИМОМ
ДОЕНИЯ КОРОВ
В. Ф. Ужик, доктор технических наук
О.С. Кузьмина, аспирант
О.В. Китаёва, доктор технических наук
А.И. Тетерядченко, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ им. В.Я. Горина
E-mail: [email protected]
Аннотация. Предложена конструкция переносного манипулятора для доения коров, обеспечивающая по-дольныйуправляемый режим доения, отключение от вакуумметрического давления и снятие доильного аппарата при снижении интенсивности извлекаемого из вымени потока молока ниже установленного значения в последней выдаиваемой доле. В качестве управляющих устройств режимом доения по долям вымени используются поплавковые датчики потока молока с магнитами и герконами. А так как датчики расположены в коллекторе доильного аппарата, то оптимизация их габаритных размеров весьма актуальна. Один из параметров, с которым связана глубина молокоприемных камер датчиков - требуемое перемещение поплавка с магнитом при его всплытии, при котором обеспечивается срабатывание геркона. Математическим моделированием рабочего процесса и расчетом установлено, что для переключения доильного стакана в соответствующий режим доения необходимо, чтобы при изменении положения поплавка и его перемещении в вертикальной плоскости относительно геркона при использовании неодимо-вого магнита (Неодим-железо-бор (NdFeB)) размером 4x4x4 мм и геркона КЭМ-3 гр. А типа SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, то есть «один полюс, один канал») - обычный выключатель, в котором два контакта нормально разомкнуты, МДС срабатывания 42-66 А, удаление геркона от магнита в момент замыкания его контактов составляло не более 21,31 мм, а при размыкании минимально допустимое удаление - 27,43 мм.
Ключевые слова: манипулятор, доение, корова, датчик, поплавок, параметр, магнит, геркон, доильный аппарат.
Введение. Современное доильное оборудование содержит элементы автоматики, предназначенные для контроля и управления параметрами режима доения в зависимости от интенсивности потока молока, выводимого из вымени коровы. В качестве датчиков потока молока применяются датчики без подвижных частей с использованием лучей инфракрасной области спектра, объемно-весовые датчики, поплавковые датчики и др. Как свидетельствуют результаты исследований процесса машинного доения коров, вследствие неравномерности развития долей вымени и большой разницы во времени их доения (более 30 секунд) для исключения возможности вредного влияния на молочную железу требуется подольное управление ре-
жимом доения. Такой режим реализован в стационарных доильных установках - роботах. В остальном же доильном оборудовании, содержащем элементы управления доением, контроль потока молока осуществляется в целом по вымени.
В литературе достаточно широко освещены результаты разработки и исследований доильных машин с подольным управляемым режимом выведения молока как в стационарном, так и передвижном (переносном) исполнении [1-9]. Однако вследствие достаточно высокой сложности, несовершенства предлагаемых вариантов их конструкции, хотя и обладающих новизной, подтвержденной патентами на изобретения, промышленностью не освоен их выпуск. Поэтому исследования
в этом направлении являются весьма актуальными.
В настоящее время на данном уровне развития науки и техники вполне возможно создание полуавтоматов для доения коров при привязном их содержании со сбором молока в молокопровод. Одним из таких вариантов может служить разработанный нами переносной манипулятор для доения коров (патент на изобретение RUS 2695868), обеспечивающий подольный управляемый режим доения, отключение от вакуумметрического давления и снятие доильного аппарата при снижении интенсивности извлекаемого из вымени потока молока ниже установленного значения в последней выдаиваемой доле, например, 50 мл/мин. [10-12]. В качестве управляющих устройств режимом доения по долям вымени используются поплавковые датчики потока молока с магнитами и герко-нами. А так как датчики расположены в коллекторе доильного аппарата, то оптимизация их габаритных размеров весьма актуальна. Один из параметров, с которым связана глубина молокоприемных камер датчиков -требуемое перемещение поплавка с магнитом при его всплытии, при котором обеспечивается срабатывание геркона.
Цель исследований. Построение математической модели перемещения поплавка, учитывающей параметры магнита и геркона, при котором обеспечивается замыкание-размыкание контактов геркона.
Материал исследований. Материалом исследований послужили математические зависимости, характеризующие параметры магнита, а также их изменение в зависимости от расстояния до точки определения.
Результаты исследований и обсуждение. Изменение вакуумного режима доения в каждом доильном стакане осуществляется в результате замыкания-размыкания контактов герконов под воздействием магнитного поля магнитов, прикрепленных к поплавкам (рис. 1). Каждый геркон, в зависимости от его назначения, габаритных размеров, режимов работы, обладает своей чувствительностью. Она характеризуется магнитодвижущей силой срабатывания геркона (замыкания, раз-
мыкания или коммутации цепи, в зависимости от конструкции), магнитодвижущей силой, при которой геркон возвращается в исходное состояние (холостой режим), и гистерезисом. Гистерезис характеризует интервал варьирования зоны удержания геркона в рабочем режиме по мере удаления источника магнитного поля с точки срабатывания в точку возвращения геркона в исходное состояние. Выражается этот показатель в процентном соотношении магнитодвижущей силы в момент срабатывания геркона и магнитодвижущей силы в момент перехода герко-на в холостой режим.
Рис. 1. К определению перемещения поплавка:
1 - поплавок; 2 - магнит; 3 - геркон
Из [13] известно, что напряженность Н магнитного поля по мере удаления от постоянного магнита уменьшается, и характер ее изменения зависит от формы источника магнитного поля. Для магнита прямоугольной формы эта зависимость имеет вид:
ß0n
arctan -
arctan
AB
AB
2a^4a2+A2+B2
' 2(С+а)^4(С+а)2+А2+В2\ ' ( ^
где Вг - остаточная индукция магнита, Тл; А, В, С - стороны магнита, м; ^о - магнитная постоянная, ¡ио = 4л'10-7 Гн/м; а - удаление точки определения напряженности магнитного поля от плоскости магнита, образованной сторонами А и В, м.
Как следует из описания работы предложенного нами переносного манипулятора, при нижнем положении поплавка 1 (рис. 1) геркон 3 находится в магнитном поле магнита 2, магнитодвижущая сила которого равна или больше магнитодвижущей силы ¥зам за-
мыкания его контактов. В таком случае в доильном стакане устанавливается стимулирующий режим доения. Для переключения доильного стакана в номинальный режим доения необходимо, чтобы при всплытии поплавка в результате увеличения интенсивности потока молока выше установленного значения, например, 50 мл/мин., и его накопления в молоколовушке, его перемещение утё в вертикальной плоскости относительно геркона 3 вдоль оси У Декартовой системы координат, начало которой расположено на горизонтальной линии, проходящей через центр его симметрии, было таким, при котором магнитодвижущая сила магнита ¥ в зоне геркона уменьшилась и стала ниже магнитодвижущей силы ¥раз перехода геркона в исходное состояние [14]. Определить данное перемещение можно, воспользовавшись уравнением (1), вначале установив закономерность изменения напряженности магнитного поля на герконе в зависимости от а -удаления точки определения напряженности магнитного поля от плоскости магнита. В нашем случае мы можем записать:
а = утд • (2)
А так как магнитодвижущая сила ¥ (МДС связана с напряженностью магнитного поля в этой же точке выражением:
^ = аН, (3)
то с учетом уравнения (1) мы можем записать равенство для определения характера зависимости магнитодвижущей силы на гер-коне от удаления от него магнита:
р _ аВг
агсЬап-
агсЬап
АВ
АВ
2а^4а2+А2+В2
, ,__(4)
2(С+а)^4(С+а)2+А2+В2\
Так как герконы обладают гистерезисом, то магнитодвижущие силы ¥зам замыкания и магнитодвижущие силы ¥раз размыкания их контактов не равны между собой.
В таком случае, решив уравнение (4) относительно а и подставив в него значение магнитодвижущей силы ¥зам замыкания гер-кона, взятое из его характеристики, мы можем определить максимально допустимое удаление агтах точки крепления геркона к корпусу молоколовушки от магнита при
нижнем положении поплавка (рис. 1). С учетом коэффициента надежности замыкания контактов геркона мы можем записать:
Уд = кг&гтах , (5)
где Уд - максимально допустимое удаление агтах точки крепления геркона к корпусу молоколовушки от магнита при нижнем положении поплавка с учетом коэффициента надежности замыкания контактов геркона, м; кг - коэффициент надежности замыкания контактов геркона, к<1.
Подставив в него значение магнитодвижущей силы ¥раз размыкания контактов гер-кона, взятое из его характеристики, мы можем определить минимально допустимое удаление агтт от геркона магнита при всплытии поплавка. С учетом коэффициента надежности размыкания контактов геркона мы можем записать:
Утд = к-г&гтт , (6)
где кг - коэффициент надежности размыкания контактов геркона, к>1.
Из этого следует, что перемещение поплавка в результате всплытия, при котором обеспечивается размыкание контактов гер-кона и включение номинального режима доения данного соска коровы, составляет:
ку = Утд - Уд , (7)
где ку - перемещение поплавка в результате всплытия, при котором обеспечивается размыкание контактов геркона, м.
Для проведения теоретических исследований уравнения (1) сделаем допущения по конструктивным параметрам составных частей: используем данные характеристики неодимового магнита (Неодим-железо-бор (Ыс1¥еВ)) размером 4*4*4 мм. Как показывает расчет, при перемещении магнита с точки начального удаления от геркона 2 мм в точку удаления 30 мм напряженность магнитного поля на герконе уменьшается с 515,35 кА/м до 1,19 кА/м. Эта зависимость представлена на рисунке 2. Выполнить же расчеты по установлению положения геркона относительно магнита при нижнем положении поплавка, а также перемещению магнита при всплытии поплавка с использованием уравнения (7) не представляется возможным, так
как оно в развернутом виде достаточно громоздко и имеет сложную структуру. Поэтому выполним его теоретическое исследование с построением графика для визуального представления искомой зависимости с по-
следующим установлением по расчетной таблице интервала варьирования магнитодвижущей силы в зависимости от расстояния. График данной зависимости представлен на рисунке 3.
Таблица. Результаты исследований магнитодвижущей силы на герконе в зависимости _от удаления магнита_
а, мм 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
F, А 1030,7 693,7 450,5 309,8 224,7 170,0 133,0 106, 7 87,5 73,1 61,9 53,1 46,1 40,3 35,6
Рис. 2. Зависимость напряженности магнитного поля от удаления магнита от геркона
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Удаление магнита от геркона, мм
Рис. 3. Зависимость магнитодвижущей силы от удаления магнита от геркона
Как свидетельствуют данные таблицы, при перемещении магнита с точки начального удаления от геркона 2 мм в точку удаления 30 мм магнитодвижущая сила на герконе уменьшается с 1030,7 А до 35,6 А. В качестве исполнительного механизма использовали геркон КЭМ-3 гр. А типа SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, то есть «один полюс, один канал») - обычный выключатель, в котором два контакта нормально разомкнуты, МДС срабатывания 42-66 А.
Как следует из таблицы и графика, приведенного на рисунке 3, максимально допу-
стимое удаление геркона от магнита в момент замыкания его контактов составляет 21,31 мм, а при размыкании минимально допустимое удаление - 27,43 мм.
Вывод. Для переключения доильного стакана в номинальный режим доения необходимо, чтобы при всплытии поплавка в результате увеличения интенсивности потока молока выше установленного значения, например, 50 мл/мин., и его накопления в мо-локоловушке, его перемещение в вертикальной плоскости относительно геркона вдоль оси Y Декартовой системы координат, начало которой расположено на горизонтальной линии, проходящей через центр его симметрии, было таким, при котором магнитодвижущая сила магнита в зоне геркона уменьшилась и стала ниже магнитодвижущей силы перехода геркона в исходное состояние. При использовании неодимового магнита (Неодим-железо-бор (NdFeB)) размером 4*4 х4 мм и геркона КЭМ-3 гр. А типа SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, т. е. «один полюс, один канал») - обычный выключатель, в котором два контакта нормально разомкнуты, МДС срабатывания 42-66 А, максимально допустимое удаление геркона от магнита в момент замыкания его контактов составляет 21,31 мм, а при размыкании минимально допустимое удаление 27,43 мм.
Литература:
1. Андрианов Е.А. Исследование устройства для управления режимом работы стимулирующе-адаптивного доильного аппарата // Вестник ВГАУ. 2014. № 32. С. 123.
2. Кирсанов В.В. Направления совершенствования исполнительных механизмов доильных установок // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 1. С. 64-65.
3. Ульянов В.М. Конструкция и эксплуатация доильных аппаратов. Рязань, 2012. 112 с.
4. К обоснованию направления в создании доильного аппарата с элементами управления режимом доения / В.Ф. Ужик и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2016. № 32.
5. Ужик В.Ф. Адаптивное доильное оборудование. Белгород: Изд-во БелГСХА, 2009. 485 с.
6. К обоснованию конструктивно-режимных параметров пневморегулятора вакуумметрического давления адаптивного доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Известия Оренбургского ГАУ. 2017. № 3. С. 101-105.
7. Обоснование конструктивно-режимных параметров пульсатора адаптивного доильного аппарата / Ужик В.Ф. и др. // Известия ОГАУ. 2015. № 6. С. 88-90.
8. Пат. 2654245 RU. Доильный агрегат / В.Ф. Ужик и др. Заяв. 28.03.17; Опубл. 17.05.18, Бюл. № 14.
9. Мобильный агрегат для доения коров и его пневмо-цилиндр снятия доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. № 12.
10. Пат. 2695868 РФ. Переносной манипулятор для доения коров / Ужик В.Ф. и др. Опубл. 29.07.19.
11. Переносной манипулятор для доения коров / В.Ф. Ужик и др. // Актуальные проблемы разработки, эксплуатации и технического сервиса машин в агропромышленном комплексе. Белгород, 2019. С. 204-211.
12. Переносной манипулятор с почетвертным управляемым режимом доения коров / В.Ф. Ужик и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2019. № 4(36). С. 51-56.
13. Элементарный учебник физики. М., 2001. 480 с.
14. К обоснованию параметров молоколовушки манипулятора для доения коров / В.Ф. Ужик и др. // Техника и оборудование для села. 2020. № 1(271). С. 28-35.
Literatura:
1. Andrianov E.A. Issledovanie ustrojstva dlya upravle-niya rezhimom raboty stimuliruyushche-adaptivnogo doi-l'nogo apparata // Vestnik VGAU. 2014. № 32. S. 123.
2. Kirsanov V.V. Napravleniya sovershenstvovaniya is-polnitel'nyh mekhanizmov doil'nyh ustanovok // Dostiz-heniya nauki i tekhniki APK. 2010. № 1. S. 64-65.
3. Ul'yanov V.M. Konstrukciya i ekspluataciya doil'nyh apparatov. Ryazan', 2012. 112 s.
4. K obosnovaniyu napravleniya v sozdanii doil'nogo apparata s elementami upravleniya rezhimom doeniya / V.F. Uzhik i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2016. № 32.
5. Uzhik V.F. Adaptivnoe doil'noe oborudovanie. Belgorod: Izd-vo BelGSKHA, 2009. 485 s.
6. K obosnovaniyu konstruktivno-rezhimnyh parametrov pnevmoregulyatora vakuummetricheskogo davleniya ada-ptivnogo doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Izvestiya Orenburgskogo GAU. 2017. № 3. S. 101-105.
7. Obosnovanie konstruktivno-rezhimnyh parametrov pu-l'satora adaptivnogo doil'nogo apparata / Uzhik V.F. i dr. // Izvestiya OGAU. 2015. № 6. S. 88-90.
8. Pat. 2654245 RU. Doil'nyj agregat / V.F. Uzhik i dr. Zayav. 28.03.17; Opubl. 17.05.18, Byul. № 14.
9. Mobil'nyj agregat dlya doeniya korov i ego pnevmoci-lindr snyatiya doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Dos-tizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. № 12.
10. Pat. 2695868 RF. Perenosnoj manipulyator dlya doeniya korov / Uzhik V.F. i dr. Opubl. 29.07.19.
11. Perenosnoj manipulyator dlya doeniya korov / V.F. Uzhik i dr. // Aktual'nye problemy razrabotki, ekspluata-cii i tekhnicheskogo servisa mashin v agropromyshlen-nom komplekse. Belgorod, 2019. S. 204-211.
12. Perenosnoj manipulyator s pochetvertnym upravlyae-mym rezhimom doeniya korov / V.F. Uzhik i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2019. № 4(36). S. 51-56.
13. Elementarnyj uchebnik fiziki. M., 2001. 480 s.
14. K obosnovaniyu parametrov molokolovushki manipu-lyatora dlya doeniya korov / V.F. Uzhik i dr. // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2020. № 1(271). S. 28-35.
THE MILKING MACHINE MILK FLOW SENSOR'S FLOAT MOVEMENT WITH PODOLNY CONTROL OF COWS MILKING'S VACUUM REGIME JUSTIFICATION TO V.F. Uzhik, doctor of technical sciences O.S. Kuz'mina, post-graduate student O.V. Kitaeva, doctor of technical sciences A.I. Teteryadchenko, candidate of technical sciences FGBOU VO Belgorod GAU after V.Y. Gorin
Abstract. The cows' milking portable manipulator design, providing milking's controlled regime, vacuum pressure's disconnection and milking machine removal at the milk flow extracted from the udder intensity decreasing below then the value's set in the last milked mammary gland is proposed. As control devices for mammary glands' milking regime the milk flow's float sensors with magnets and reed switches are used. And so the sensors in the milking machine's collector are located, as their overall dimensions' optimization is very relevant. One of the parameters associated with the milk-receiving chambers of the sensors' depth is this float with the magnet's required movement at it rising, reed switch's operation ensuring. By mathematical modeling of the working process and calculation it is established that to switch the milking cup to the appropriate milking regime, it is necessary at float position changing and its movement in the vertical plane relative to the reed switch at a neodymium magnet (Neodymium-iron-boron (NdFeB)) size of 4x4x4 mm and a reed switch KEM-3 of gr. A of type SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, that is "one pole, one channel") using - a normal switch in that two contacts are normally open, the MDS of operation is 42-66 A, the reed switch from the magnet's removal at the its contacts' closing time was no more than 21,31 mm, and at its opening the minimum allowable removal - 27,43 mm was equaled. Keywords: manipulator, milking, cow, sensor, float, parameter, magnet, reed switch, milking machine.
