Мобильный агрегат для доения коров и его пневмоцилиндр снятия доильного аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11221

УДК 637.116

Мобильный агрегат для доения коров и его пневмоцилиндр снятия доильного аппарата

в. Ф. УЖик, доктор технических наук, профессор (e-mail: [email protected]) С. и. нЕкиПЕлов, аспирант о. в. китАЁвА, доктор технических наук, доцент

Белгородский государственный аграрный университет, ул. Вавилова, 1, пос. Майский, Белгородский р-н, Белгородская обл., 308503, Российская Федерация

Резюме. Разработка более совершенной конструкции доильного агрегата, обладающего возможностью своевременного снятия доильного аппарата с вымени коровы исключает субъективную оценку интенсивности потока молока, доверяя ее автомату, и необходимость присутствия оператора при завершении доения коровы. Разработанный мобильный агрегат содержит вертикально установленный пневмоцилиндр для снятия доильного аппарата. Ход поршня пневмоцилиндра зависит от удаления доильного агрегата от вымени коровы. Для условия, когда расстояние от платформы агрегата до поршня при крайнем нижнем его положении равно 0,10 м, отклонение по высоте фиксатора относительно поршня при крайнем верхнем его положении составляет 0,10 м, отклонение по высоте положения точки крепления троса к доильному аппарату относительно платформы тележки доильного агрегата - 0,10 м, коэффициент удлинения троса - 1,20, при расстоянии от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора в горизонтальной плоскости 1,00 м, требуемый ход поршня пневмоцилиндра равен 0,70 м, а при увеличении расстояния до 1,50 м достигает 1,04 м. Натяжение троса в процессе движения доильного аппарата меняется. Причем, в начальный его момент, чем больше удаление доильного аппарата от агрегата, тем меньше натяжение троса F. При использовании доильного аппарата массой 4 кг и удалении 1,5 м оно составляет 25,37 Н, при нулевом удалении - 40,00 Н. При прохождении в процессе движения нижнего положения траектории отмечено увеличение натяжения троса по мере роста удаления доильного аппарата в начальный момент. Оно возрастает от 40,00до 54,63 Н. Для управляемого снятия доильного аппарата массой 4 кг с мо-лочнойжелезы, удаленной на 1,5 м, с предупреждением его контакта с полом стойла коровы в нижней точке траектории движения, с увеличением вакуумметрического давления от 20,0до 50,0 кПа диаметр пневмоцилиндра можно уменьшить с 0,084 до 0,060 м.

Ключевые слова: мобильный агрегат, доение, корова, пневмоцилиндр, поршень, вакуумметрическое давление, трос, доильный аппарат.

Для цитирования: Ужик В. Ф., Некипелов С. И., Китаё-ва О. В. Мобильный агрегат для доения коров и его пневмоцилиндр снятия доильного аппарата // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 12. С. 71-75. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11221.

В условиях промышленного производства молока для доения коров, как правило, используют оборудование с элементами автоматики, обладающее высокой производительностью и обеспечивающее адаптивный режим доения животных [1, 2, 3]. В фермерских хозяйствах, особенно при малочисленном поголовье, используют передвижные доильные агрегаты, содержащие автономную вакуумную аппаратуру, доильный аппарат и резервуар для сбора молока. А так как они не снабжены манипуляторами доения коров, то оператор должен контролировать как сам процесс выведения молока из молочной железы, так и момент завершения доения, предот-

вращая передержку доильных стаканов на вымени животного. Поэтому весьма важна разработка более совершенной конструкции доильного агрегата, обладающего возможностью своевременного снятия с вымени коровы доильного аппарата, для исключения как субъективной оценки интенсивности потока молока, доверяя ее автомату, так и необходимость присутствия оператора при завершении доения коровы. В качестве исполнительного механизма снятия доильного аппарата может выступать вертикально установленный пневмоцилиндр. Для этого необходимо обоснование его основных конструктивно-режимных параметров, при которых обеспечивается заданная траектория движения доильного аппарата в процессе его снятия с вымени коровы.

Цель исследований - обоснование конструктивно-режимных параметров пневмоцилиндра снятия доильного аппарата с вымени коровы мобильного доильного агрегата.

Условия, материал исследований. Разработанный мобильный агрегат для доения коров (рис. 1) обеспечивает снятие доильного аппарата с молочной железы по завершении доения [4]. Отслеживая этот момент, блок управления 16 выдает команду двухходовому электровентилю 17 на сообщение полости пневмоцилиндра 14 с вакуумной аппаратурой 15. При этом поршень 12, перемещаясь под воздействием вакуумметрического давления вниз, посредством

рис. 1. Мобильный агрегат для доения коров: 1 - доильный аппарат; 2 - трос; 3 - фиксатор; 4, 5, 7 - обводной ролик; 6 - поворотный рычаг; 8 - поршень; 9 - пневмоцилиндр; 10 -вакуумная аппаратура; 11 - блок управления; 12 - двухходовой электровентиль.

обводного ролика 11 втягивает трос 3,который, обкатываясь по обводным роликам 8 и 7 поворотного рычага 9 и натягиваясь, снимает доильный аппарат 1 с вымени коровы и перемещает вверх до фиксации троса 3 фиксатором 6 в исходном положении.

Результаты и обсуждение. Для фиксации доильного аппарата в крайнем верхнем положении ход поршня должен составлять не менее половины длины максимально выдвинутого из пневмоцилиндра троса от доильного аппарата до фиксатора на поворотном рычаге:

(1)

где I - длина троса от точки крепления к доильному аппарату до фиксатора, м; э - ход поршня, м.

Длина троса от точки крепления к доильному аппарату до фиксатора зависит от удаления доильного аппарата от положения фиксатора в горизонтальной плоскости, а также разности высот положения точки крепления троса к доильному аппарату и фиксатора:

/ = ^а2+Л2, (2)

где а и h - расстояние от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскости, м.

Можно отметить, что расстояние h от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора в вертикальной плоскости равно:

Л = в + в., ±52 ±53, (3)

где э - ход поршня, м; э1 - расстояние от платформы до поршня при его крайнем нижнем положении, м; э2 - отклонение по высоте фиксатора относительно поршня при его крайнем верхнем положении, м; з3 -отклонение по высоте положения точки крепления троса к доильному аппарату относительно платформы тележки доильного агрегата, м.

В таком случае уравнение (2) приобретает вид:

/ = ^а2 + (з + з1±з2±з3)2

(4)

Следует отметить, что в процессе работы доильного агрегата, трос должен оставаться в ненатянутом положении. Это обеспечивает его дополнительное выдвижение из пневмоцилиндра до достижения поршнем крайнего верхнего положения. В таком случае уравнение (1) можно представить в виде: к!

(5)

где к - коэффициент удлинения троса.

Отсюда:

<б>

Подставив уравнение(4) в уравнение(6):

2в

(7)

и решив его относительно э:

" (к2- 4) "

^ (а, ± з2 ± 83 )2 - (к2 - А\к2 (51 ± в2 ± з3)+ а2к2 (к2-4)

(8)

мы получаем уравнение для расчета хода поршня, при котором обеспечивается снятие доильного аппарата с вымени коровы с последующей его фиксацией в крайнем верхнем положении.

Как показывают результаты теоретических исследований, для условия, когда э1, э2 и э3 равно 0,10 м; к - 1,20, при расстоянии от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора в горизонтальной плоскости 1,00 м - требуемый ход поршня пневмоцилиндра составляет 0,70 м, при увеличении расстояния до 1,50 м он возрастает до 1,04 м.

В начальный момент движения доильного аппарата при снятии с вымени коровы в тросе его крепления должно быть создано усилие Fn удержания доильного аппарата от падения на пол. Его значение можно представить в виде:

^^0080, (9)

где Fдa - сила тяжести, действующая на доильный аппарат, Н; а - угол отклонения троса от вертикали в начальный момент снятия доильного аппарата вымени коровы,рад.

Сила тяжести Fдa, действующая на доильный аппарат:

= тд,

(10)

где т - масса доильного аппарата, кг; д - ускорение свободного падения, м/с2.

Угол а отклонения троса от вертикали в начальный момент снятия доильного аппарата вымени коровы зависит от расстояния от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскости а и h:

а = агсЛап—.

Л

(11)

Но по мере перемещения доильного аппарата, с появлением скорости движения, возникает центростремительная сила, оказывающая влияние на натяжение троса пневмоцилиндра:

Рл = Раа сова + Р^

(12)

где Fcen - центростремительная сила, Н. Центростремительная сила определяется выражением:

,2

(13)

Гсеп

гт*

где ус1 - скорость движения доильного аппарата, направленная по касательной к траектории его перемещения, м/с; Я - радиус траектории движения доильного аппарата, м.

В нашем случае Я равен I - длине троса от точки крепления к доильному аппарату до фиксатора.

Однако, как было отмечено ранее, длина троса I - величина переменная. Высота над уровнем пола точки подвеса доильного аппарата, относительно которой осуществляется его вращение в процессе снятия с вымени коровы:

Ь = 5 + 5,+52±53+84, (14)

где Ь - высота над уровнем пола точки подвеса доильного аппарата, м; э4 - высота расположения платформы агрегата над уровнем пола, м.

Поэтому текущее значение длины троса можно представить в виде:

, =/ (/-ь)(а-«,)

' а

(15)

где 1г - текущая длина троса, м. В таком случае кинетическая энергия доильного аппарата будет включать две составляющие:

1^=1^ + 1^, (16) где Wd - кинетическая энергия доильного аппарата, Дж; Wk - кинетическая энергия доильного аппарата, движущегося со скоростью vk, направленной по касательной к траектории его перемещения радиусом I, Дж; Wc - кинетическая энергия доильного аппарата, движущегося со скоростью vc, направленной вдоль линии троса к оси вращения, Дж.

Потенциальная энергия доильного аппарата будет равна:

W=mg

I-

(/-Ь)(а - а,)

(cosa, - cosa),

(1l)

где а - текущее значение угла а, рад. А центростремительная сила: „, ,2

11

(18)

или:

рис. 2. К определению основных конструктивно-режимных параметров пневмоцилиндра.

F = mVd

(/-b)(a-a,)'

a

(19)

Полная энергия доильного аппарата в крайних положениях равна кинетической или потенциальной энергии. В таком случае:

И^-1Ур=0 (20)

или

mvz mv:

-mg

2 2

А так как

2 2 2

то можно записать:

I (l-b)(a-a,У

(cosa,-cosa) = 0. (21)

(22)

mv:

-mg

, (/-b)(a-a,y

(cosa,-cosa)=0. (23)

Из этого уравнения следует:

vl=2g

a cosa.

(cosa, - cosa).

(24)

2 mg

cosa, - cosa

(25)

или

FMn = 2mg(cosa, -cosa). (26)

Это дает нам возможность записать уравнение для определения натяжение троса пневмоцилиндра:

F, = mg cosa + 2mg (cosa, - cosa ) = = mg (2 cosa, - cosa ).

(2l)

Подставив это уравнение в формулу (19), определим центростремительную силу, воздействующую на доильный аппарат:

Из уравнения (27) для конструктивных параметров доильного агрегата, приведенных ранее, при варьировании массы доильного аппарата от 3 до 4 кг следует, что натяжение троса в процессе движения доильного аппарата меняется. Причем в начальный момент движения, чем больше удаление доильного аппарата от агрегата, тем меньше натяжение троса F. Так, при использовании доильного аппарата массой 4 кг и удалении 1,5 м натяжение троса составляет 25,37 Н, в то время как при нулевом удалении (а=0) оно достигает 40,00 Н.

В то же время при прохождении в процессе движения нижнего положения траектории, происходит увеличение натяжения троса по мере удаления. Оно возрастает с 40,00 до 54,63 Н.

Для определения основных конструктивно-режимных параметров пневмоцилиндра доильного агрегата, обеспечивающих требуемое усилие воздействия на доильный аппарат в процессе его снятия, рассмотрим схему его работы (рис. 2).

Согласно второму закона Ньютона можем записать:

(28)

Fvak+Fp ~Fn-Fup = Fm+Ft+Fr,+Fr2+Fr3,

где Fvak - сила поршня, формируемая по воздействием вакуумметрического давления Pvak Н; Fp - вес поршня, Н; Fn - сила, вызывающая ускоренное движение поршня, Н; Fth - сила натяжения холостой ветви троса пневмоцилиндра, Н; Fr1 - сила трения ролика поворотного звена, Н; F2 - сила трения ролика поворотного звена, Н; Fr3 - сила трения ролика поршня,

Н; F

сила трения поршня о внутренние стенки

пневмоцилиндра, Н.

Так как сила Ft натяжения троса пневмоцилиндра учитывает динамикудоильного аппарата в процессе снятия его с вымени животного, то из схемы работы пневмоцилиндра следует, что натяжение холостой

ветви пневмоцилиндра равно натяжению ветви, управляющей положением доильного аппарата в процессе снятия с молочной железы:

В таком случае:

Р^+Рр-^-^гр = 2(Г( + Гг1+Гг2 + Гг3).

(29)

(30)

Силу Fvak, формируемую на поршне под воздействием вакуумметрического давления Ргак, можно представить как:

(31)

Силу FP, вызывающую согласно второму закону Ньютона ускоренное движение поршня:

(32)

Рр = трар.

где тр - масса поршня, кг; ар - ускорение движения поршня, м/с2. Вес поршня:

Рп = трд.

(33)

Следует отметить, что ускорение движения поршня - величина неизвестная. Очевидно, что оно зависит от времени и расстояния перемещения поршня, при котором предотвращается соприкосновение доильного аппарата с полом стойла.

Из уравнения (15) следует, что по мере изменения угла аг в процессе движения доильного аппарата из точки подвеса на вымени в нижнюю точку траектории движения, когда аг =0, изменение длины I троса происходит на величину:

(/-Ь)(а-а,)

Д/ = --—-(34)

а

где А! - величина уменьшения длины троса при перемещении доильного аппарата с начальной точки траектории с углом отклонения от вертикали а в точку с углом отклонения аг, м.

Так как перемещение поршня и длина троса связаны между собой уравнением (1), можно записать:

д*„4

(35)

где Аэп - смещение поршня при перемещении доильного аппарата из точки с углом отклонения а в точку с углом отклонения аг, м. Или с учетом уравнения (34):

Дя >

(/-Ь)(а-а,)

2а

(36)

2\д

(37)

При этом, как было отмечено, длина нити подвеса, в нашем случае - длина троса, величина переменная. Следовательно, с учетом уравнения (15) уравнение (37) приобретает вид:

(/-Ь)(а-а,)

_а_

9

(38)

Из этого уравнения следует, что с уменьшением длины троса подвеса доильного аппарата, время его движения из точки отклонения от вертикали на угол а до нижней точки траектории при а1=0 будет уменьшаться.

Приняв схему пошагового изменения длины троса подвеса доильного аппарата, а значит и пошагового изменения периода колебаний рассматриваемого маятника, можно представить уравнение для расчета времени движения доильного аппарата с изменяющимся радиусом перемещения с точки подвеса на вымени коровы в нижнюю точку траектории движения в виде:

п-1

о

2 л/д

11 —

С-ь)

ос-к

а

л

п-1

"?2 п^д

-с-С

(39)

где п - число шагов изменения длины троса подвеса доильного аппарата; к - порядковый номер шага.

Очевидно, что для повышения точности расчета времени движения доильного аппарата, число шагов должно стремиться к бесконечности:

л-»с». (40)

Как показывают предварительные расчеты, время движения доильного аппарата по мере удаления доильного аппарата от агрегата увеличивается. Так, при удалении доильного аппарата на 0,5 м время его перемещения в нижнюю точку траектории движения при аг=0 составляет 0,428 с, а при удалении 1,5 м -0,648 с.

Из характеристики работы пневмоцилиндра следует, что за время 7 перемещение поршня должно составить:

Ав „=-

(41)

Поскольку мы рассматриваем движение доильного аппарата в процессе снятия с вымени коровы как колебания математического маятника, время Т его перемещения из точки отклонения от вертикали до нижней точки траектории будет составлять одну четвертую периода колебаний маятника длиной нити подвеса I:

В этом случае, используя известное выражение взаимосвязи ускорения и перемещения, можно записать:

У2 (/-ь) 2 2 '

Преобразовав уравнение (42), можно определить ускорение, которым должен обладать поршень пнев-моцилиндра:

Ав„

(42)

С-ь)

Или с учетом уравнения (39):

ар=Т

С-ь)

Ип

Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 12

\2 '

(43)

(44)

Теперь, подставив в уравнение (30) уравнения (29), (31), (32), (33) и (44):

к^Рс-т,

С-ь)

(ÎJ)

= 2(mg(2-cosa)+Fr1 + Fr2+Fr3). (45)

мы можем определить минимально допустимый диаметр пневмоцилиндра, при котором обеспечивается требуемое воздействие поршня на трос:

яР.

2 (тд (2 - cosa )+ Fr1 + Fr2 + Fr3 )+

-,N1/2

+ ma

С-ь)

Л2

-mpg + F(„

(46)

Как свидетельствует анализ уравнения (46), для управляемого снятия доильного аппарата массой 4 кг с молочной железы, удаленной на 1,5 м, с предупреждением его контакта с полом стойла коровы в нижней точке траектории движения, с увеличением

вакуумметрического давления с 20,0 до 50,0 кПа диаметр пневмоцилиндра можно уменьшить с 0,084 до 0,060 м.

выводы. В результате исследований установлено, что ход поршня пневмоцилиндра зависит от удаления доильного агрегата от вымени коровы.

Так, в условиях, когда расстояние от платформы агрегата до поршня при крайнем нижнем его положении составляет 0,10 м, отклонение по высоте фиксатора относительно поршня при крайнем верхнем его положении - 0,10 м, отклонение по высоте положения точки крепления троса к доильному аппарату относительно платформы тележки доильного агрегата -0,10 м, коэффициент удлинения троса - 1,20; при расстоянии от точки крепления троса к доильному аппарату до положения фиксатора в горизонтальной плоскости 1,00 м - требуемый ход поршня пневмоцилиндра составляет 0,70 м, а при увеличении расстояния до 1,50 м он возрастает до 1,04 м.

При использовании доильного аппарата массой 4 кг и его удалении 1,5 м натяжение троса в начальной точке траектории составляет 25,37 Н, при нулевом удалении (а=0) - 40,00 Н. С увеличением удаления доильного аппарата натяжение троса в нижней точке траектории возрастает с 40,00 до 54,63 Н.

Для управляемого снятия доильного аппарата массой 4 кг с молочной железы, удаленной на 1,5 м, с предупреждением его контакта с полом стойла коровы в нижней точке траектории движения при увеличении вакуумметрического давления от 20,0 до 50,0 кПа диаметр пневмоцилиндра можно уменьшить с 0,084 до 0,060 м.

Литература.

1. Modelling of lactation / E. A. Andrianov, V. P. Shatsky, A. A. Andrianov, etc. //Asian Journal of Microbiology, Biotechnology and Environmental Sciences. 2017. Vol. 19. No. 3. Pp. 594-597.

2. Оптимизация параметров устройства для автоматического снятия доильного аппарата / В. А. Хрипин, В. М. Ульянов, Р. В. Коледов и др. // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сборник научных статей XII Международной научно-практической конференции, в рамках XVIII Международной агропромышленной выставки «Агроунивер-сал - 2016». Ставрополь: Издательство «АГРУС», 2016. С. 118-124.

3. Krasnov I. N., Krasnova A. Yu., Miroshnikova V. V. The roles of milking motives in cows' milk discharging / EurAsian Journal of Biosciences. 2018. Vol. 12. С. 83-87.

4. Доильный агрегат/В. Ф. Ужик, С. И. Некипелов, О. В. Китаёва и др.// Патент 2654245 RU A01J 5/00. N. 2017110361; заявлено 28.03.2017; опубл. 17.05.2018; Бюл. № 14.

Mobile unit for Milking Cows and Its Pneumatic Cylinder for Removing

the Milking Machine

V. F. uzhik, S. I. Nekipelov, O. V. Kitaeva

V. Ya. Gorin Belgorod State Agrarian University, ul. Vavilova, 1, pos. Maiskii, Belgorodskii r-n, Belgorodskaya obl., 308503, Russian Federation

Abstract. The development of a more advanced design of a milking unit, which has the ability to timely remove the milking machine from the udder, eliminates the subjective assessment of the milk flow rate, trusting it to the machine, and the need for the operator to be present at the completion of milking the cow. The developed mobile unit contains a vertically installed pneumatic cylinder for removing the milking machine. The piston stroke of the pneumatic cylinder depends on the distance between the milking unit and the cow udder. When the distance from the platform of the unit to the piston at its lowest position is 0.10 m, the deviation in height of the latch relative to the piston at its upper position is 0.10 m, the deviation in height of the position of the attachment point of the cable to the milking machine relative to the platform of the milking unit carriage is 0.10 m, the cable elongation factor is 1.20. The required piston stroke of the pneumatic cylinder is 0.70 m with the distance between the cable attachment point to the milking machine and the latch position in the horizontal plane of 1.00 m, and with an increase in the distance up to 1.50 m it reaches 1.04 m. The tension of the cable varies during the process of moving of the milking machine. Moreover, at its initial moment, the greater the distance between the milking machine and the unit is, the lower the tension of the cable Ft is. When using a milking machine with a mass of 4 kg and a distance of 1.5 m, the tension is 25.37 N, with a zero distance it is 40.00 N. With the passage during the movement of the lower position of the trajectory, an increase in the tension of the cable is registered with increasing distance of the milking machine at the initial moment. It increases from 40.00 to 54.63 N. For a controlled removal of the milking machine with the weight of 4 kg from the udder distant at 1.5 m, with the warning of its contact with the floor at the lower point of the movement path, with an increase in the vacuum pressure from 20.0 to 50.0 kPa, the diameter of the pneumatic cylinder can be reduced from 0.084 to 0.060 m.

Keywords: mobile unit; milking; cow; pneumatic cylinder; piston; vacuum pressure; cable; milking machine.

Author Details: V. F. Uzhik, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: [email protected]); S. I. Nekipelov, post graduate student; O. V. Kitaeva,

D. Sc. (Tech.), assoc. prof.

For citation: Uzhik V. F., Nekipelov S. I., Kitaeva O. V. Mobile Unit for Milking Cows and Its Pneumatic Cylinder for Removing the Milking Machine. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 12. Pp. 71-75 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11221.