CC BY
29
УДК 637.116
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАССАЖА ВЫМЕНИ НЕТЕЛЕЙ
В.Ф. Ужик, доктор технических наук, профессор О.А. Чехунов, кандидат технических наук, доцент Е.А. Мартынов, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина E-mail: info@bsaa.edu.ru
Аннотация. Представлено описание конструкции устройства для массажа вымени нетелей, обеспечивающее пневмомеханический раздельный массаж четвертей вымени, попеременное нажатие на доли, на -жатие с последующим оттягиванием, воздействие переменным вакуумом, воздействие на цистерну вымени и механическое воздействие на дно вымени. Конструкция массажного устройства предусматривает изменение технологических параметров по месяцам стельности, что задается технологией подготовки вымени нетелей к лактации. Дано теоретическое обоснование параметров устройства для массажа вымени нетелей: диаметр отверстия для откачки воздуха из массажного элемента сосков вымени; усилие воздействия рабочих органов на вымя, условие держания устройства на вымени; конструктивных размеров регулятора вакуумметрического давления. Применение массажа вымени нетелей позволит повысить молочную продуктивность коров.
Ключевые слова: массажное устройство, нетель, массаж, вакуумметрическое давление, усилие воздействия.
Один из резервов повышения молочной продуктивности коров - подготовка нетелей к лактации с использованием стимуляции их вымени в период второй половины стельности, когда происходят интенсивные процессы структуризации тканей молочной железы и подготовки ее к секреции [1,2].
С целью повышения эффективности данной операции и снижения экономических затрат на изготовление массажников различных типоразмеров нами предложена конструкция устройства для массажа вымени нетелей, содержащего чашеобразный колокол 1 (рис. 1), состоящий из двух частей, выполненных с возможностью изменения длины колокола путем перемещения частей относительно друг друга по направляющей 2. Верхняя кромка колокола оборудована эластичной прокладкой 3 [3 ].
Колокол содержит перегородку 4, разделяющую переднюю и заднюю доли вымени. Перегородка выполнена в виде основания, сильфона и крышки с шарнирно установленным массажным элементом. Каждый из двух объемов колокола выполнен с возможностью подсоединения к вакуумпроводу 5 посред-
ством патрубков 6 и оборудован четырьмя массажными элементами 7 сосков вымени. Каждый массажный элемент содержит основание, сильфон и крышку с массажером. Сильфоны выполнены с возможностью соединения с распределителем 8 посредством патрубков 9.
Корпус каждого из двух объемов колокола 1 оборудован регуляторами давления 10, выполненными в виде корпуса, крышки, подпружиненного сферического клапана и мембраны. Крышка выполнена с возможностью сообщения с колоколом посредством патрубка. Регулятор выполнен с возможностью срабатывания в зависимости от величины вакуумметрического давления в колоколе путем изменения жесткости подпружиненного клапана. Колокол 1 также оборудован массажерами цистерны вымени 11, каждый из которых выполнен в виде сильфона, основания и крышки, оборудованной массажными элементами с деформаторами.
Данное устройство обеспечивает следующие способы воздействия на вымя: пневмомеханический массаж вымени, причем раздельный массаж четвертей вымени, как по
диагонали, так и левых - правых, а также передних и задних (в зависимости от соединения патрубков массажных элементов сосков вымени с распределителем); попеременное нажатие на доли; нажатие с последующим оттягиванием; воздействие переменным вакуумом; воздействие на цистерну вымени; механическое воздействие на дно вымени.
йг
V
(1)
МЭ
где ртек - текущее значение давления в полости массажного элемента сосков выме-
ни, Па; t - время процесса, с; ратм - величина атмосферного давления, Па; »отк - расход воздуха при откачке, м3/с; ¥мз - объем полости массажного элемента, м3.
Расход откачиваемого воздуха из полости массажного элемента сосков вымени имеет вид:
^отк
Я ■ йпУ Ртек - Рвак )
(2)
128 ^воз ■ 1отв
где ёпр - приведенный диаметр отверстия для откачки воздуха, м; /Лвоз - динамическая вязкость воздуха, Пас; /отв — длина калиброванного отверстия, м; ртек - величина ваку-умметрического давления, Па.
Преобразовав уравнение (1) с учетом выражения (2) и проинтегрировав его в пределах от ратм до ртек, получим расчетное время присоединения массажной воронки к доле вымени:
г
¿Лсп
"Яе /
128Уёу ■ Имд ■ 1гпа (ЛГпё — "айсп)
Рис. 1. Устройство для массажа вымени нетелей:
1 - массажный колокол; 2 - направляющая; 3 - эластичная прокладка; 4 - перегородка;
5 - вакуумпровод; 6, 9 - патрубки; 7 - массажный элемент сосков вымени; 8 - распределитель;
10 - регулятор; 11 - массажеры цистерны вымени
Конструкция устройства предусматривает изменение технологических параметров по месяцам стельности, что задается технологией подготовки вымени нетелей к лактации. Представим аналитическое обоснование работы некоторых рабочих органов устройства для массажа вымени нетелей.
Для определения диаметра отверстия для откачки воздуха из массажного элемента сосков вымени исходим из того, что оттягивание вымени происходит в том случае, если обеспечивается удержание воронки данного узла на вымени. Рассматриваем объем воронки как герметичную камеру, тогда уравнение для нахождения скорости изменения давления в ее полости имеет следующий вид: др р ■ и
± тек _ ± атм отк
П ■ й4с("гпё — "агд)
д"
(3)
п1е
"аасп
или
г аЛсп
128УёУ ■ Ма1д ■ 1гпа (ЛГпё — "а,"сп) П ■ йЖ ■ "гпё ("гпё — "аге)
1п
"гпё "¿'Лсп "п1е — "¿'Лсп
(4)
где рприс - вакуумметрическое давление присоединения воронки к доле вымени, Па;
ртек > рприс.
Отсюда, приведенный диаметр отверстия для откачки воздуха из полости массажного элемента сосков вымени составит:
й аа - 4
128Уёу ■ рагд ■ 1гпа ("гпё — ""ЯЛсн)
П ■ гаасп ■ "гпё ("гпё "аге)
1п
1 алсп
"гпё — "аЛсп
ап!д — "аасп
(5)
Изменяя величину вакуумметрического давления можно обеспечить различное усилие оттягивания вымени в различные периоды стельности нетелей.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(23)-2016
135
Усилия воздействия рабочих органов на вымя (массажные элементы сосков вымени и массажеры цистерны вымени) можно представить в виде:
Г = Г - Г (6)
воз сил сопр 5 V /
где ^ил - сила, возникшая в сильфоне под воздействием вакуума, Н (рисунок 2); ^сопр -сила сопротивления перемещению (растяжению) сильфона, Н.
Рис. 2. Схема к определению силы воздействия рабочих органов на вымя
Взаимосвязь между силой, возникающей в сильфоне, и величиной вакуумметрическо-го давления осуществляется посредством эффективной площади поперечного сечения сильфона [4]:
г рвак 'Л' (Rнар + Rвн/ .-ч
Г = Р ' £ А = --- , (7)
сии ± вак эф л ' \ /
4
где ^эф - площадь поперечного сечения сильфона, м ; Кнар - наружный радиус силь-фона, м; Квн - внутренний радиус сильфона, м.
При условии осесимметричной нагрузки сильфона его характеристика близка к линейной. Поэтому приближенно можно записать:
Гсопр = к • X, (8)
где к - жесткость сильфона, Н/м; х - перемещение, м.
Жесткость гофры определяется равенством:
Е • Ь3
к = ■
2п•К • Я
2п Ксил Янар
(9)
где Е - модуль упругости материала сильфона, Н/м2; Ь - толщина стенки сильфона, м; П - число гофр; Ксил - коэффициент, зависящий от параметра относительной глубины гофр.
Подставив полученные данные в выражение (6), получим:
Рвак • П • (Янар + Ян/ Е • Ь •
4
2п • КСИл • Я2
, (10)
ар
Таким образом, при заданных конструктивных параметрах сильфона, изменяя ваку-умметрическое давление, обеспечивается заданное усилие воздействия рабочих органов на вымя.
Удержание устройства на вымени происходит за счет вакуумметрического давления в колоколе, которое должно удовлетворять требованию:
Рв
Рв ак Sкол у,
(11)
где рваккол - вакуумметрическое давление в массажном колоколе, Па; ^кол - эффективная площадь поперечного сечения массажный колокола, м2; Gу - вес устройства для массажа вымени, Н.
Для поддержания заданной величины ва-куумметрического давления в массажном колоколе в конструкцию введен регулятор вакуума.
Для определения диаметра впускного отверстия регулятора воспользуемся выражением:
ёр
и=р
V,
(12)
где t - время процесса, с; »о - расход при откачивании воздуха, м3/с; »п - расход при поступлении воздуха, м3/с; Ук - объем камеры, м3.
Расход воздуха равен:
П
• ё4
1 2 8 ^воз • I
(р Рвак.кол.)
(13)
где й1 - диаметр отверстия для откачивания воздуха (диаметр соединительного патрубка), м; ¡1 - длина отверстия для откачивания воздуха (длина соединительного патрубка), м; р - текущее значение вакуумметр и ч е с к о го д а вления в рабочей камере пнев-моклапана, Па.
ио - ип
ио =
Расход воздуха при поступлении воздуха равен:
п ■ d4
128 ■ ^Воз ■ I
"(Ратм - Р),
(14)
d 3 = d1,
\28V^ ■ 12 (p -
ё J
П ■ * ■ Рс ln "
(16)
^ —
a0 =
64 D
(17)
Рм = Ра
Рв
(18)
Цилиндрическая жесткость мембраны находится по формуле:
D = ■
К, ■ h
12( 1 — ft)
(19)
где d2 - приведенный диаметр отверстия для поступления воздуха, м; /2 - длина отверстия для поступления воздуха, м.
В установившемся режиме будет справедливо равенство:
Vо = Уп . (15)
Тогда после подстановки выражений (13) и (14) в формулу (15) и соответствующих преобразований получим:
где Ем - модуль упругости материала мембраны, Н/м2; Им - толщина мембраны, м; /Л1 - коэффициент Пуассона (зависит от способа крепления).
После преобразования выражения (17) относительно радиуса мембраны Ям и подстановки выражений (18) и (19), выражение д ля нахождения радиуса мембраны в окончательном виде примет вид:
R =
64 ■ К ■ h
и мм
12(Р атм ± вак.ко л ) ■(1 — )
(20)
Поскольку клапан, перекрывающий впускное отверстие регулятора вакуума, жестко связан с центром мембраны, то прогиб мембраны будет равен величине перемещения этого клапана, необходимой для открытия впускного отверстия. Прогиб центра мембраны определяется выражением:
рм ■ К
где Юо - прогиб центра мембраны, м; рм -среднее давление на мембрану, Па; Я м - радиус мембраны, м; Б - цилиндрическая жесткость мембраны, Н/м.
Среднее давление на мембрану найдем как разность давлений:
Литература:
1. Ужик В.Ф., Ужик О.В., Ужик Я.В. Аспекты математического моделирования в молочном скотоводстве. Белгород, 2012. 303 с.
2. Иванов Ю.А. Направления технической модернизации при производстве продукции животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1(17). С. 3-8.
3. Пат. 116745 RU.Устройство для массажа вымени нетелей / Чехунов О.А. Опубл. 10.06.12.
4. Ужик В.Ф., Скоркин В. К., Лящев В.С. Расчет конструктивных параметров устройства для массажа вымени нетелей // Сб. тр. ВНИИМЖ. Т. 13, ч.2. Подольск, 2004. С. 98-106.
Literatura:
1. Uzhik V.F., Uzhik O.V., Uzhik YA.V. Aspekty matema-ticheskogo modelirovaniya v molochnom skotovodstve. Belgorod, 2012. 303 s.
2. Ivanov YU.A. Napravleniya tekhnicheskoj moderniza-cii pri proizvodstve produkcii zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №1(17). S. 3-8.
3. Pat. 116745 RU.Ustrojstvo dlya massazha vymeni ne-telej / CHekhunov O.A. Opubl. 10.06.12.
4. Uzhik V.F., Skorkin V. K., Lyashchev V.S. Raschet kon-struktivnyh parametrov ustrojstva dlya massazha vymeni netelej // Sb. tr. VNIIMZH. T. 13, ch.2. Podol'sk, 2004.
THE HEIFERS UDDER MASSAGE DEVICE'S PARAMETERS JUSTIFICATION V.F. Ujik, doctor of technical sciences, professor O.A. Cheshunov, candidate of technical sciences, associate professor E.A. Martuynov, candidate of technical sciences, associate professor FGBOY VO Belgorod state agricultural university named after V.Y. Gorin
Abstract. The heifers udder massage device, providing pneumonic-and-mechanical separate massage of the udder's quarters, alternate udder's share taping, taping with a subsequent pulling, variable vacuum impact, udder tank impact and mechanical impact on the udder bottom design description is presented. The massage device design includes the technological parameters changing due to the months of pregnancy, that is designed by the heifers udder lactation preparation technology. The heifers udder massage device parameters theoretical justification is given: the diameter of the holes for air pumping of the udder teats' massage element; the work bodies udder impact's strengthening, the device's holding on the udder condition; the vacuum metric pressure regulator's constructive sizes. The heifers udder massage using will increase cows milk production. Keywords: massage device, heifer, massage, vacuum metric pressure, impact strengthening.
Journal of VNIIMZH №3(23)-2016
137
3
3
4
