CC BY
46
Обоснование конструктивно-режимных параметров пульсатора адаптивного доильного аппарата
В.Ф. Ужик, д.т.н., профессор, О.В. Ужик, к.т.н., О.А. Че-хунов, к.т.н., Д.Н. Клёсов, аспирант, ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ; В.А. Шахов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Отрасль молочного скотоводства располагает значительными резервами дальнейшего увеличения производства молока.
Наряду с кормлением, поением, способом содержания и многими другими факторами, влияющими на продуктивность молочного стада, машинное доение имеет немаловажное значение. Машинное доение является одной из самых трудоёмких технологических операций в молочном скотоводстве. В то же время оно несовершенно [1].
Основной рабочий орган любой доильной установки – доильный аппарат. Он состоит из доильных стаканов, коллектора, пульсатора, шлангов и трубок. Работа любого доильного аппарата происходит циклически. Каждый цикл состоит из двух или трёх тактов, что в свою очередь разделяет доильные аппараты на двухтактные и трёхтактные. Смену тактов осуществляют пульсатор и коллектор [2, 3].
Однако важным недостатком современных доильных аппаратов является неполное выдаивание молока из вымени коров. Одна из причин данного явления – недостаточная его адаптация к физиологии вымени животных, в результате чего происходит передержка доильных стаканов на вымени, а также зачастую несвоевременное переключение на пониженный вакуум при снижении молокоотдачи [3–7].
Материал и методы исследования. В результате синтеза собранного материала нами предложен механический пульсатор (рис. 1) c возможностью автоматического регулирования частоты пульсаций и соотношения тактов [8—10].
Отличительная особенность пульсатора — наличие вращающегося с регулируемой частотой золотника (рис. 2) со сходящимися книзу наклонными разделительными стенками вакуумметрической и атмосферной камер, одновременно имеющего возможность продольного перемещения в корпусе относительно впускных и выпускных отверстий для изменения соотношения тактов пульсаций.
Результаты исследования. На золотник разработанного нами пульсатора действует сила прижатия F (рис. 3) к внутренней поверхности корпуса пульсатора, которая определяется по формуле:
Рис. 1 - Пульсатор механический:
1, 2, 7, 14 – патрубки; 3, 5 – камеры вакуумметрического давления; 4, 11, 13 – отверстия; 6 – корпус пульсатора; 8 – золотник; 9 – крышка; 10 – электродвигатель; 12, 15 – камеры атмосферного давления; 16 – корпус пневмоцилиндра
Рис. 2 – Золотник пульсатора:
1, 2 – разделительные стенки камер вакуумметрического и атмосферного давления
Горизонтальная составляющая силы прижатия определяется по формуле:
FX — S1 ' (РАТМ — РВАК) ' sin (2)
где а — угол наклона разделительных пластин золотника, °.
Площадь контакта в данном случае представляет собой усечённый эллипс и определяется из соотношения:
F — S' (Ратм рвак), (1)
где S — площадь золотника, воспринимающая воздействие разности давления РТМ и РВАК М2; Ратм — атмосферное давление, Па;
Рвак — вакуумметрическое давление, Па.
S1 — $Э. ^С.Э.1 Sc
(3)
где S3^ — площадь эллипса, м2;
Scg l и SCg2 — площади сегментов эллипса, м2. Площадь эллипса мы можем определить как площадь круга под углом:
Рис. 3 - Схема сил, действующих на золотник
■ о-ю Ш1й-2й iifr-и ijchi) и^о-Кр *W-w տևծ-К ifc-up ■»-» и&о-ий
Рис. 4 – График зависимости горизонтальной составляющей силы прижатия от вакуумметрического давления и диаметра золотника
■ P>!Q ■IG.JTfl ւշս՚Յս 14q*jQ ■
Рис. 5 – График зависимости вертикальной составляющей силы прижатия от вакуумметрического давления и диаметра золотника
=■
nd2
4cosa'
(4)
S =
nd2 Л2(a1 - sin a1)
где d — диаметр золотника, м.
Площадь сегмента эллипса мы можем определить также как площадь сегмента круга под углом. Получим:
_ R 2(a1 - sin a1)
4cosa 2cosa
R2(a2 - sin a2)
(6)
S.
С.Э.1
Sr
2cosa
R2(a2 - sin a2)
2cosa
Подставив уравнение (6) в уравнение (2), получим:
nd2 R2(a1 - sin a1) R2(a2 - sin a2)
fx _ ^---г------^----T---------^---T----) •
4cosa
(5)
2cosa
• (РАТМ - РВАК)
2cosa
(7)
2cosa
где a1 и a2 – углы отсекаемых сегментов, °;
R – радиус золотника, м.
Подставляем уравнения (4) и (5) в уравнение (3), получаем:
,■) • sin a.
Согласно уравнению (7) график зависимости горизонтальной составляющей силы прижатия от значений вакуумметрического давления и диаметра исполнительного механизма представлен на рисунке 4.
Вертикальная составляющая FY силы прижатия F, воздействующей на разделительную пластину золотника, будет равна:
FY = Sշ ' ՄАТМ — РВАК) ' cosa. (8)
Площадь контакта в данном случае представляет собой круг и определяется по формуле:
зонтальная, 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 вакуумметрического давления, диаметра золотника, площади
S շ = S к.
nd2 4
(9)
Подставив уравнение (9) в уравнение (8), по-
золотника, воспринимающей разность давлений, угла наклона разделительной пластины и коэффициента трения.
2. Применение адаптивного доильного аппарата
лучим:
nd2
Fy = 4 ՝ {Рати - Рвак)'sin a. (10)
Согласно уравнению (10) график зависимости вертикальной составляющей силы прижатия от значений вакуумметрического давления и диаметра исполнительного механизма представлен на рисунке 5.
Таким образом, нами получено уравнение для расчёта горизонтальной составляющей силы взаимодействия золотника с внутренней поверхностью корпуса пульсатора, которое может быть положено в основу расчёта необходимого крутящего момента Мкр привода золотника:
Mкр = f {Рвак , Рати , Fx, D, k), (11)
где к — коэффициент трения.
Также уравнение для расчёта усилия, воздействующего на золотник в вертикальной плоскости, которое может быть использовано при обосновании параметров механизма его перемещения по оси ординат в процессе изменения соотношения тактов пульсаций пульсатора.
Использование данного пульсатора в конструкции адаптивного доильного аппарата за счёт автоматического регулирования частоты пульсаций и соотношения тактов позволит повысить степень выдаиваемости коров на 3—5%.
Выводы.
1. Математическим моделированием рабочего процесса пульсатора установлено, что как гори-
с механическим пульсатором позволит улучшить степень выдаиваемости коров на 3—5%.
Литература
1. Передня В. И. Совершенствование доильного аппарата // Научно-технический прогресс в животноводстве: перспективная система машин — основа реализации стратегии машинно-технологического обеспечения животноводства на период до 2010 г.: сб. науч. трудов. Подольск, 2004. Т. 13.
Ч. 2. С. 137—140.
2. Справочник инженера-механика сельскохозяйственного производства / под ред. директ. Департамента научнотехнической политики и образования Минсельхоза России В.В. Нунгезера, акад. РАСХН Ю.Ф. Лачуги и чл.-корр. РАСХН В.Ф. Федоренко. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. Ч. II. 492 с.
3. Шахов В.А. Техническое обеспечение реализации потенциала молочной продуктивности коров: автореф. дисс. ... докт. техн. наук. Мичуринск-Наукоград, 2011.
4. Ужик О.В. К обоснованию параметров регулирующих устройств адаптивного доильного аппарата // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2013. № 4 (30). С. 82—86.
5. Шахов ВА. Повышение эффективности использования и эксплуатационной надёжности доильных аппаратов / В.А. Шахов, В.Д. Поздняков, А.П. Козловцев, И.В. Герасименко // Вестник Челябинской государственной агроинженерной академии. 2014. № 1 (67).
6. Шахов В.А. Методика проектирования высокоскоростных доильных машин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2011. № 29 (1).
7. Карташов Л.П., Соловьёв С.А., Шахов В.А. Лабораторные стенды для испытания животноводческой техники. М.: Колос, 2009.
8. Патент №2539957 RU, МПК А 01 j 5/10 (2006.01). Пульсатор для доильных установок / Ужик В.Ф., Клёсов Д.Н., Ужик О.В. №2013146314/13. Заявлено 16.10.2013. Опубл. 27.01.2015. Бюл. № 3.
9. Ужик В.Ф., Клёсов Д.Н., Ужик О.В. Механический пульсатор для доильных аппаратов // Вестник Всероссийского научноисследовательского института механизации животноводства. 2014. № 4 (16). С. 86—88.
10. Ужик В.Ф. Пульсатор адаптивного доильного аппарата / В.Ф. Ужик, О.А. Чехунов, О.В. Ужик, П.Ю. Кокарев, Д.Н. Клёсов // Сельский механизатор. 2014. № 12. С. 26—27.
