CC BY
20
УДК 637.116
РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОГО ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С МЕХАНИЧЕСКИМ ПУЛЬСАТОРОМ
В.Ф. Ужик, доктор технических наук, профессор Д.Н. Клёсов, аспирант
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина» E-mail: uzhik16@rambler.ru
Аннотация. Одним из важнейших показателей повышения эффективности производства молока является контроль здоровья и физиологического состояния каждого животного. Использование адаптивных доильных аппаратов позволяет повысить молочную продуктивность коров и снизить их заболевание маститом. В результате сбора фактического материала, обзора запатентованных конструкций и изучения принципа их работы разработана конструкция адаптивного доильного аппарата с механическим пульсатором с возможностью автоматического регулирования соотношения тактов и частоты пульсаций в зависимости от интенсивности потока молока. Автоматическое изменение параметров обеспечивает блок управления с микроконтроллером, который на основании данных интенсивности молокоот-дачи устанавливает режим доения. В статье представлено описание конструкции предлагаемого адаптивного доильного аппарата, принципа его работы. Разработанный доильный аппарат предназначен для доения коров в коровнике с привязным содержанием на передвижных доильных установках и доильных залах. Математическим моделированием рабочего процесса пульсатора установлено, что как горизонтальная, так и вертикальная составляющие 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 золотника, воспринимающей разность давлений, угла наклона разделительной пластины и коэффициента трения.
Ключевые слова: доильный аппарат, механический пульсатор, золотник, вакуумметрическое давление, атмосферное давление.
Введение. Одним из важнейших показателей повышения эффективности производства молока является контроль здоровья и физиологического состояния каждого животного. В связи с этим основной характеристикой, на которую в первую очередь должен реагировать доильный аппарат, является интенсивность молокоотдачи. Доильный аппарат такого типа должен обеспечивать контроль за интенсивностью молокоотдачи в автоматическом режиме, а также стабилизировать величину вакуума в доильных стаканах.
На сегодняшний день многие современные доильные аппараты не обеспечивают полное выдаивание молока из вымени коров из-за недостаточной адаптации к физиологии вымени животных, что, в конечном счете, приводит к передержке доильных стаканов на вымени и, зачастую, несвоевременному переключению на пониженный вакуум при снижении молокоотдачи [2, 4-7].
Методы и методология проведения работ. В результате синтеза собранного материала нами предложен адаптивный доильный аппарат с механическим пульсатором с возможностью автоматического регулирования соотношения тактов и частоты пульсаций в зависимости от интенсивности потока молока (рис. 1) [1].
Доильный аппарат работает следующим образом. Сливной патрубок 34 датчика потока молока 31 соединяют с молокоприемным устройством. Патрубок 4 пульсатора 12 и калиброванный канал 38 подключают к источнику вакуумметрического давления. Лазерный дальномер 28, установленный на крышке 29 датчика потока молока 31, через микроконтроллер 27 электрически соединяют с шаговым электродвигателем 36 дросселя 37, электродвигателем 17 вращения золотника 11 и регистратором 26 интенсивности моло-ковыведения в процессе доения коровы.
Рис. 1. Адаптивный доильный аппарат
При этом вакуумметрическое давление из молокоприемного устройства (на схеме не показано) поступает в подсосковую камеру 18 доильного стакана 20 через молокоприемную камеру 24 коллектора 21, патрубком 25 соединенную с поплавковым датчиком 31 потока молока, выполненным в виде моло-коловушки 32 с переливным патрубком 30 и сливным патрубком 34, перекрываемым иглой 35, прикрепленной к поплавку 33, и соединяемым с молокоприемным устройством. Причем, для обеспечения линейной зависимости между перемещением поплавка 33 и площадью открываемого отверстия для слива молока из молоколовушки 32 по патрубку 34, игла 35 выполнена с поверхностью, описанной уравнением:
2 (2г2 - х 2)1 2(2г 2 - г 2)1 у = х --^-— + г24 7
2
г
2
г
где г - радиус сливного отверстия, м; х, z -текущее значение радиуса иглы по оси X и 2, соответственно, м; I - длина иглы, м.
При этом золотник 11 вращает электродвигатель 17, соединенный с золотником 11 шлицевым валом 15. При вращении золотник 11 совмещает попеременно камеру 7 постоянного вакуумметрического давления и камеру 9 постоянного атмосферного давления с патрубками 8 и 23, соединенными с межстенными камерами 19 доильных стаканов 20 через распределительные камеры 22 коллектора 21, обеспечивая в них переменный вакуум, который регулирует выведение молока. При этом в камеру 9 постоянного атмосферного давления посредством отверстия 13 поступает атмосферный воздух, а в камеру 7 постоянного вакуумметрического давления посредством отверстия 5 из над-поршневой камеры 2 пневмоцилиндра 41 через патрубок 4 - вакуумметрическое давление. Регулированием частоты вращения золотника 11 электродвигателем 17 изменяют частоту пульсаций в зависимости от значений молокоотдачи, принимаемых микроконтроллером 27, электрически соединенным с регистратором 26 интенсивности молоковы-ведения в процессе доения коровы и с лазерным дальномером 28, установленным для регистрации положения поплавка 33 в моло-коловушке 32 на крышке 29 датчика потока молока 31.
Продольным перемещением золотника 11 (рис. 2) по шлицевому валу 15 в корпусе 6 пульсатора 12 штоком 3 пневмоцилиндра 41, поршень 1 которого подпружинен пружиной 40, расположенной в подпоршневой камере 39, сообщаемой через калиброванный канал 38 с источником вакуумметрического давления (на схеме не показан), а через регулируемый шаговым электродвигателем 36 дроссель 37 - с атмосферой, регулируют соотношение тактов.
Рис. 2. Золотник пульсатора: 1, 2 - разделительные стенки камер вакуумметрического и атмосферного давления
Ход исследования. В предлагаемом доильном аппарате механический пульсатор обеспечивает изменение соотношения тактов и частоты пульсаций в автоматическом режиме в зависимости от интенсивности потока молока, регистрируемой датчиком потока молока в виде молоколовушки. Автоматическое изменение параметров обеспечивает блок управления с микроконтроллером, который на основании данных интенсивности молокоотдачи устанавливает режим доения [3, 8, 9, 10]. На золотник механического пульсатора действует сила прижатия F (рис. 3) к внутренней поверхности корпуса пульсатора, которая определяется по формуле:
Р = S • (Ратм - Рвак), (1)
где S - площадь золотника, воспринимающая воздействие разности давления Ратм и
Ратм
Рис. 3. Схема сил,
.Рвак, м2; Ратм - атмосферное давление, Па; .Рвак - вакуумметрическое давление, Па.
Горизонтальная составляющая Р^ силы прижатия определяется по формуле:
Р* = • (Ратм - Рвак) • sin а, (2)
где а - угол наклона разделительных пластин золотника, град.
Площадь контакта в данном случае представляет собой усеченный эллипс и определяется из соотношения:
= ^э. — ^с.э.1 — ^с.э.2 (3)
где 5э - площадь эллипса, м2; 5с э 1 и 5с э 2 - площади сегментов эллипса, м2.
Площадь эллипса мы можем определить как площадь круга под углом:
5э = -Sil (4)
4 cosa
где d - диаметр золотника, м.
на золотник
Площадь сегмента эллипса мы можем определить также как площадь сегмента круга под углом. Получим:
^с . э .1 =
ß2(a1-sina1)
^с.э . 2 =
R2(a2-sina2)
(5)
Р* = (
red2
4 cos a
R2(a1-sina1) R2(a2-sina2X
2 cos a
2 cos a
) •
(Ратм - Рвак) • sin a
(7)
2СОБЯ 2СОБЯ
где и а2 - углы отсекаемых сегментов, град; Р - радиус золотника, м.
Подставляем уравнения (4) и (5) в уравнение (3):
¿1 =-----(6)
Подставив уравнение (6) в уравнение (2) получим:
Вертикальная составляющая Рг силы прижатия F , воздействующей на разделительную пластину золотника, будет равна: Рг = 52 • (Ратм - Рвак) • cos а, (8)
Площадь контакта в данном случае представляет собой круг и определяется по формуле:
(9)
с — с —
¿2 = V = ~
Подставив уравнение (9) в уравнение (8) получим:
nd2
fy= — - (ратм - Рвак) • sin а (10)
Необходимый крутящий момент Мкр привода золотника определяется из соотношения:
Мкр = Fmp ■ г = к ■ N ■ r, (11)
где к - коэффициент трения; N - нормальная сила реакции опоры, Н; r - радиус золотника, м.
Таким образом, нами получено уравнение для расчета горизонтальной составляющей силы взаимодействия золотника с внутренней поверхностью корпуса пульсатора, уравнение для расчета 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, а также уравнение для расчета необходимого крутящего момента.
Результаты исследования. Согласно уравнению (7) график зависимости горизон тальной составляющей силы прижатия от значений вакуумметрического давления и диаметра исполнительного механизма представлен на рис. 4. Согласно уравнению (10) график зависимости вертикальной составляющей силы прижатия от значений вакуум-метрического давления и диаметра исполнительного механизма представлен на рис. 5.
10-10 ■ 10-20 ■ 20-30 ■ 30-40 140-30 ■ 30-60 Рис. 5. График зависимости вертикальной составляющей силы прижатия от вакуум-метрического давления и диаметра золотника
Согласно уравнению (11) график зависимости крутящего момента от значений ваку-умметрического давления и диаметра исполнительного механизма представлен на рис. 6.
Рис. 4. График зависимости горизонтальной
составляющей силы прижатия от вакуум-метрического давления и диаметра золотника
Рис. 6. График зависимости крутящего момента от вакуумметрического
давления и диаметра золотника
Таким образом, с увеличением величины вакуумметрического давления и диаметра золотника наблюдается увеличение значений силы прижатия и крутящего момента.
Область применения результатов. Разработанный нами доильный аппарат предназначен для доения коров в коровнике с привязным содержанием на передвижных доильных установках и доильных залах. Использование данного доильного аппарата с механическим пульсатором в конструкции адаптивного доильного аппарата за счет автоматического регулирования частоты пуль-
саций и соотношения тактов позволит повысить степень выдаиваемости коров на 3-5%. Выводы.
1. Математическим моделированием рабочего процесса пульсатора установлено, что как горизонтальная, 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 вакуумметричес-кого давления, диаметра золотника, площади золотника, воспринимающей разность давлений, угла наклона разделительной пластины и коэффициента трения.
2. Применение адаптивного доильного аппарата с механическим пульсатором позволит улучшить степень выдаиваемости коров на 3-5%.
Литература:
1. Заявка 2016100964 RU. Доильный аппарат / Ужик В.Ф. и др. Заяв. 13.01.16.
2. Мартынов Е.А., Чехунов О.А. Автоматизация доения коров с применением манипуляторов доения // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №3(19). С. 51-53.
3. Пат. 2539957 RU. Пульсатор для доильных установок / Ужик В.Ф. и др. Заяв. 16.10.13; Опубл. 27.01.15.
4. Справочник инженера-механика сельскохозяйственного производства / Нунгезер В.В. и др. М., 2011.
5. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучее И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. №8. С. 36-38.
6. Иванов Ю.А. Направления технической модернизации при производстве продукции животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1(17). С. 3-8.
7. Морозов Н.М. Машинно-технологическое обеспечение производства продукции животноводства // АПК: Экономика, управление. 2004. №10. С. 4-13.
8. Механический пульсатор для доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №4(16).
9. Пульсатор адаптивного доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Сельский механизатор. 2014. №12. С. 26.
10. Обоснование конструктивно-режимных параметров пульсатора адаптивного доильного аппарата / В.Ф. Ужик и др. // Известия ОГАУ. 2015. №6(56).
Literatura:
1. Zayavka 2016100964 RU. Doil'nyj apparat / Uzhik V.F. i dr. Zayav. 13.01.16.
2. Martynov E.A., CHekhunov O.A. Avtomatizaciya doe-niya korov s primeneniem manipulyatorov doeniya // Vestnik VNIIMZH. 2015. №3(19). S. 51-53.
3. Pat. 2539957 RU. Pul'sator dlya doil'nyh ustanovok / Uzhik V.F. i dr. Zayav. 16.10.13; Opubl. 27.01.15.
4. Spravochnik inzhenera-mekhanika sel'skohozyajstven-nogo proizvodstva / Nungezer V.V. i dr. M., 2011.
5. Kormanovskij L.P., Ivanov YU.A., Tekuchev I.K. Ten-dencii primeneniya doil'nyh robotov // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2008. №8. S. 36-38.
6. Ivanov YU.A. Napravleniya tekhnicheskoj moderniza-cii pri proizvodstve produkcii zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №1(17). S. 3-8.
7. Morozov N.M. Mashinno-tekhnologicheskoe obespe-chenie proizvodstva produkcii zhivotnovodstva // APK: EHkonomika, upravlenie. 2004. №10. S. 4-13.
8. Mekhanicheskij pul'sator dlya doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2014. №4(16).
9. Pul'sator adaptivnogo doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Sel'skij mekhanizator. 2014. №12. S. 26.
10. Obosnovanie konstruktivno-rezhimnyh parametrov pul'satora adaptivnogo doil'nogo apparata / V.F. Uzhik i dr. // Izvestiya OGAU. 2015. №6(56).
THE ADAPTIVE MILKING MACHINE WITH A MECHANICAL PULSATOR'S DEVELOPMENT V.F. Ujik, doctor of technical sciences, professor D.N. Klyosov, post-graduated student
FGBOY VO "Belgorod state agricultural university named after V.Y. Gorin"
Abstract. One of the most important indicators of increase of milk production efficiency is each animal health and physiological state monitoring. The adaptive milking machines using allows to increase the cows milk production of and to reduce the mastitis disease. As a result of actual material collection, the patented designs overview and the principle of their work studying it was developed the adaptive milking machine design with a mechanical pulsator and the possibility of automatic control of the cycles ratio and pulse frequency depending on the milk flow intensity. The automatic changing of parameters is provided by the control block with a microcontroller, which on the milk flow intensity basis sets the milking mode. The article presents the proposed adaptive milking machine design' description, principle of its working. Developed milking machine are designed for milking cows in the barn with cow tethered on a mobile milking installations and in milking parlors. By the working process mathematical modeling of the pulser it is established that both the horizon and vertical components of the clamping force applied to the inner surface of pulsator's body, as well as the necessary torque moment of the drive valve and force on the coordinate axis changing depends on the switching atmospheric and vacuum pressure, the valve diameter, the valve area, sensing the different of pressures, the separation plate inclination angle and the friction coefficient. Keywords: milking machine, mechanical pulsator, valve, vacuum metric pressure, atmospheric pressure.
