Методика проектирования высокоскоростных доильных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Методика проектирования высокоскоростных доильных машин

В.А. Шахов, к. т. н., Оренбургский ГАУ

В машинном доении наиболее важным процессом является доение. Поэтому проведены исследования процесса молоковыведения, позволившие разработать методику моделирования газожидкостных смесей при движении молока от соска к молокопроводу (рис. 1).

Гидравлический контур «молочная железа — доильная машина — счётчик молока — молоко-провод» представляет собой единую замкнутую систему. Режим движения газожидкостной смеси зависит от интенсивности молокоотдачи и моло-ковыведения, характеристик доильной машины, диаметра и длины молочных шлангов и трубок и др. Это в свою очередь влияет на работу доильных машин и счётчиков молока. В связи с этим необходимо знать свойства газожидкостной смеси. К ним относятся расход и скорость движения газожидкостной смеси, а также коэффициенты сопротивления и гидравлического трения шланга доильной машины.

Расход газожидкостной смеси в шланге доильной машины рассчитывается по формуле:

Qсм

2Ш( ЛР - к),

(1)

■\14с V рсмш

где — коэффициент сопротивления шланга доильной машины;

£ — площадь поперечного сечения молочного шланга, м2;

рсм — плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

АР — потери давления, Па; к — высота расположения средства учёта над коллектором доильной машины, м.

Показатели концентрации компонентов смеси: коэффициенты объёмного и истинного газосодержания, а также физико-механические свойства, плотность и коэффициент динамической вязкости — рассчитывали по известным формулам.

Рассматривая гидравлический контур «молочная железа — доильная машина — счётчик молока — молокопровод» как единую систему, установили, что импульс силы молекулы газожидкостной смеси зависит от высоты расположения кончика соска относительно нулевой линии И0 и интенсивности молокоотдачи. Импульс силы влияет на режим движения и расслоение газожидкостной смеси. В результате проведённых исследований выяснили, что наиболее точная работа счётчиков молока обеспечивается при заполненности молочной трубки на 25—27%. Это можно обеспечить при соотношении 1,74 диаметров молочного шланга и молочной трубки dш = 15,7 мм, dт = 9 мм.

Следовательно, располагать счётчик молока необходимо на определённой высоте к4:

Ц І (ті ■ уі ■ єта) ап

К

к4 =-

а

------------------- (2)

Рсм • Я • ^ • Кч , ()

где к4 — высота расположения счетчика молока, м;

Кг — критическое число Фруда;

Рис. 1 - Замкнутая система гидравлического контура «молочная железа - доильная машина - счётчик молока -молокопровод»:

1 - молочная железа; 2 - доильный стакан; 3 - коллектор; 4 - молочный шланг; 5 - счётчик молока; 6 - молокопровод; И0 - нулевая линия; т. А, - мнимая точка векторов скоростей движущейся газожидкостной смеси; И1 - средняя линия; И2 - верхняя линия; И3 - высота расположения кончика соска относительно И0; И4 - высота от И0 до входа в счётчик молока; И5 - высота от И0 до центра молокопровода

тI — масса молекулы смеси, кг;

I — время движения молекулы смеси, с;

0 — расход газожидкостной смеси на заданном участке, м3/с;

VI — скорость молекулы смеси, м/с; а — угол вектора силы частицы смеси относительно центра коллектора; рсм — плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

g — ускорение свободного падения, м/с2;

£м — площадь сечения молочного шланга, м2;

Ксч — коэффициент сопротивления счетчика молока (1,03—1,07)

Учитывая вышеизложенное и опираясь на концепцию энергосбережения, разработаны методики моделирования режимов работы и механизмов высокоскоростной доильной машины.

Анализ работ профессора Л.П. Карташова показал, что доильная машина должна работать в режиме, адекватном молокоотдаче животного [1]. Рассматривая движение газожидкостной смеси на принципах энергоэффективности, определили комплексный коэффициент сопротивления движению смеси кл и его влияние на изменение давления в газожидкостной системе (рис. 2):

(

кК

и22

2qt

( Б2 Бр 2

Р1

и

4 Я_

(3)

р у у

где кл — комплексный коэффициент сопротивления движению газожидкостной смеси, Па-с/кг;

и22 — расход газожидкостной смеси, кг/с; £р1 — площадь сечения резервуара ¥1, м2; Sр2 — площадь сечения резервуара ^2,м2;

I — длина соединения резервуаров, м;

£ — суммарный коэффициент местных сопротивлений на входе и выходе смеси;

Яр — гидравлический радиус, м;

X — коэффициент гидравлического трения; д — коэффициент пористости газожидкостных шлангов, м-1;

I — время, с

Коэффициент кл характеризует рассматриваемую систему с точки зрения разности давлений, которую необходимо создать между сечениями Б1—Б'1 и Б2—Б'2, чтобы расход газа через область соединения ёмкостей ¥1 и ¥2 составил 1 кг/с.

Дальнейшие исследования привели к выводу дифференциальных уравнений, позволяющих определить величину входного отверстия клапана при условии стабильного удержания доильного стакана посредством силы трения и минимально необходимую величину вакуумметрического давления в рабочей камере доильного стакана:

Л

ЛЛ

тр

dt

= Кт

ЛЛрр1 кЯЯ ;

dt Я Б = (Бр2 - Б„1)-—-кя;

Рр1 ^) = РР1 еХР(-^-) + Рр2 (1 - еХР(-

кткЯХ

кткЯХ

)) • кя

(4)

(5)

(6)

где йтр — диаметр входного отверстия клапана, м;

йрр1 — диаметр внутреннего регулировочного отверстия, м;

Кт3 — коэффициент гидропневматической системы доильной машины, кг/Па;

Кш — коэффициент, учитывающий размеры отверстий клапанов при изменении температуры;

g — ускорение свободного падения, 9,8

м/с2;

S — разность площадей сечений Sp1 и Sp2, м; кл — комплексный коэф. сопротивления гидропневматической системы, Па-с/кг;

Spl — площадь сечения рабочей камеры, м2; Sp2 — площадь сечения на входе в рабочую камеру, м2;

Рр1 — вакуумметрическое давление в рабочей камере, Па;

I — время молоковыведения, с;

Рр2 — давление на входе в рабочую камеру, Па;

Кт — коэффициент емкостной гидропневмодинамичности, кг/Па.

Рис. 2 - Схема для определения коэффициента сопротивления движению газожидкостной смеси в доильной машине

Б

3

Б

3

В результате теоретических исследований выявили, что регулирование вакуума в меж-стенной, подсосковой и присосковой камерах (уравнения 7, 8, 9) возможно путём управления воздушным и гидровакуумным потоками доильного стакана в зависимости от интенсивности молочного потока при минимальном болевом воздействии на сосок:

п =р-кк ^--к (к +к )^ш ■ п\

РпО Р КККт 1 ^ /т' т2 тА ' ^ 5 \Ч

Рпс = р!с ■ ехР(--¡ГГ-) + Рв'^~ехр(-—^—)); (8)

тЪ К тЗ К

Рт = + 2Сехр (-Р0 + ф), (9)

где Рп0 — давление на входе в камеру, Па;

Рпс — давление в подсосковой камере доильного стакана для функции подсоскового давления, Па;

Рпс — начальные условия интегрирования для функции подсоскового давления, Па;

I — время молоковыведения, с;

Ктз — коэффициент гидропневматической системы доильной машины, кг/Па; кл — коэффициент комплексного сопротивления гидропневматической системы, Па-с/кг;

Рв — вакуумметрическое давление в магистрали, Па;

к,„1 — константа, характеризующая изменение

давления на входе, кг/Па;

кп — коэффициент, характеризующий изме-

нение клапанного отверстия в межстенной камере доильного стакана; кт2 — константа, характеризующая изменение давления при соединении межстенной и подсосковой камер доильного стакана; Ртк — давление в межстенной камере доильного стакана, Па;

Р0, (3 — константы, имеющие размерность времени и характеризующие длительность переходных процессов в доильной машине, с;

Ф — безразмерная величина;

С — корень уравнения (/2С2 + /¡С + 1) = 0; У] — функционал.

Это позволит выдаивать животных с продуктивностью выше 3500 кг/год в течение 3 — 5 минут, что соответствует физиологическим требованиям (ИСО-5707). Необходимая скорость молоковы-ведения будет достигнута за счёт уменьшения такта сжатия и увеличения такта сосания, что обеспечит режим движения газожидкостной смеси с минимальным количеством воздуха, позволяя сократить энергозатраты. Проведённые исследования легли в основу методики моделирования режимов высокоскоростной доильной машины для достижения максимальной производительности при высокой степени адаптивности к животному [2].

Литература

1. Карташов Л.П. Машинное доение коров. М.: Колос, 1982. 300 с.

2. Патент № 2120742 РФ. Доильный стакан / С.А. Соловьев, В.А. Шахов, Е.М. Асманкин; опубл. 27.10.1998, бюл. № 30.