CC BY
101
Результаты лабораторных исследований имитационных блоков стенда для испытания доильных аппаратов
И.В. Герасименко, к.т.н., В.Д. Поздняков, д.т.н., профессор, Оренбургский ГАУ
Доильный аппарат — часть любого доильного агрегата (индивидуального или группового), а также доильной установки, которая должна имитировать естественные процессы выведения молока из вымени ротовой полостью телёнка (жеребёнка, ягнёнка, козлёнка и т.д.).
Разрабатываемые и имеющиеся в эксплуатации доильные аппараты подлежат обязательному обследованию на соответствие их техническим и технологическим требованиям.
При исследовании взаимодействия с живым объектом (выменем) возникает масса технических проблем, поэтому нами разработан стенд,
полностью имитирующий рассматриваемый процесс [1].
Он включат в себя функциональный ряд имитирующих блоков, на которые авторами получены патенты и авторские свидетельства:
— блок имитации интенсивности молокоот-дачи;
— блок имитации внутривыменного давления;
— блок имитации изменения упругости (тургора) вымени и соска;
— блок имитации изменения тугодойности в процессе выведения молока.
Испытания имитационных блоков стенда и доильных аппаратов проводили в лаборатории машинного доения кафедры «Механизация
технологических процессов в АПК» Оренбургского ГАУ.
При испытаниях использовали следующее оборудование: испытательный стенд, секундомер, электронные весы, доильные аппараты «Волга», «Нурлат», АДУ-1, вакуумный насос, агрегат индивидуального доения АИД-1, вакуумметр, манометр, PULSATOR TESTER PT IV, молокомер Metatron P21/S21 и другие приборы.
Для исследования интенсивности молоко-выведения различными доильными аппаратами были выбраны следующие основные факторы: скорость доения, внутривыменное давление, вакуумметрическое давление в аппарате. Вну-тривыменное давление изменяли от 3 до 7 кПа, вакуумметрическое давление в аппарате устанавливали в зависимости от рабочего, скорость доения — от 0,8 до 8,3 • 10-5 м3/с.
Испытания вели в соответствии с планом полного факторного эксперимента 23 [2]. Полученные результаты — величины интенсивности молоковыведения при различных комбинациях воздействующих факторов, — были сведены в общую таблицу для последующей обработки. Обработку полученных данных проводили в программных средах MathCAD Professional 2001 и Microsoft Office Excel 2007.
На рисунке 1 построены 3D-графики изменения интенсивности молоковыведения доильными аппаратами (У) в зависимости от вакуумме-трического давления в них (Рвак) и тугодойности различных технологических групп животных (Q). При анализе графиков становится очевидным, что у них различный характер поверхностей. У всех исследуемых доильных аппаратов различное рабочее вакуумметрическое давление, однако характер изменения интенсивности молоковыведения имеет сходство.
При работе аппаратов на давлении, ниже установленного заводом-изготовителем, они не обеспечивают необходимой скорости выведения молока из вымени животного. При достижении диапазонов рабочего давления скорость повышается, но при этом уже чётко можно проследить разницу в их отсасывающей способности. Дальнейшее повышение вакуумметрического давления практически не приводит к увеличению интенсивности молоковыведения, однако может травмировать вымя животного.
Было установлено, что при изменении тугодойности животного (Х{) и вакуумметрического давления в доильном аппарате (Х2) интенсивность молоковыведения (У) изменяется по квадратичной зависимости:
для «Нурлата» У = 2,7+0,151Xi — 0,008X2 — 0,00001Х1Х2 + 0,0002X2 - 0,0028x2;
для АДУ-1 У = 2,363 - 0,055Х2 - 0,166X: +
0,0033ХХ2 + 0,00058Х 2 + 0,023X2;
для «Волги» У = 17,908 - 0,67Хі + 0,001ХХ2 + 0,0005X2 + 0,019X2.
Наиболее значимым по вкладу параметром в модели для зависимой переменной, то есть для интенсивности молоковыведения, является тугодойность.
Для проверки блока имитации тонуса сфинктера соска использовали вакуумную установку доильного агрегата АИД-1, ёмкость с имитатором молока и насос. С помощью шланга сосок соединяли с ёмкостью, а на нижнюю часть надевали шланг от вакуумной линии. Устанавливали вакуум, равный 6 кПа, а затем открывали кран подачи жидкости и регулировочным винтом в соске уменьшали жёсткость пружины. Момент открытия клапана соска регистрировали
У,105м3/с
«Нурлат»
Рис. 1 - Графики изменения интенсивности молоковыведения в зависимости от вакуумметрического давления и тугодойности
визуально по началу поступления жидкости в шланг, соединяющий сосок с доильным ведром. Последующие регулировки на величину вакуума 15 и 26 кПа, соответствующие коровам средней тугодойности и тугодойным, проводили аналогично.
Согласно графикам изменения внутривы-менного давления при доении двухтактным доильным аппаратом «Майга» (режим № 1) и изменения давления в катетеризованной четверти при доении остальных четвертей этим же аппаратом (режим № 2) (рис. 2а), были выделены характерные точки, в которых фиксировали давление. Для кривой первого режима: точки Б, В, К — соответственно перед началом доения (Рвн =3,0 кПа), через одну минуту (Рвн =6,5 кПа) и после окончания доения (Рвн = 5,5 кПа). На кривой второго режима характерными точками являются точки Б, В, Г, Д, К. Точка Б соответствует началу доения (Рвн = 3,0 кПа), точка В времени через 28 с. после начала доения (Рвн = 6,5 кПа), точка Г — через 51 с. (Рвн = 1,5 кПа), точка Д — через 84 с. (Рвн = 2,5 кПа), точка К — концу доения (Рвн = 1,5 кПа). Проверку сводили к определению давления в данных точках. С этой целью использовали манометр, установленный в имитаторе вымени. Все эксперименты проводили с пятикратным повторением.
В основу проверки эффективности функционирования блока имитации внутривымен-ного давления были положены сравнительные исследования двух возможных режимов его изменения [3, 4]. Эксперименты проводили путём замера величины давления в имитаторе вымени в характерных точках кривой изменения внутривыменного давления, для двух режимов, согласно кривым изменения внутривыменного давления в зависимости от способа доения.
В силу того что изменение внутривымен-ного давления по второму режиму происходит неравномерно, на кривой изменения давления
(рис. 2б) можно выделить 4 участка: 1 — БВ, 2 — ВГ, 3 — ГД, 4 — от точки Д до окончания доения. Можно сделать допущение, что на этих участках изменение давления происходит по линейному закону.
В качестве технического решения имитации внутривыменного давления было взято изменение напора, создаваемого насосом. Давление для характерных точек кривой изменения вну-тривыменного давления установлено в следующем характере: для точки (Б) РБ =3,0 кПа; для точки (В) Рв =6,5 кПа; для точки (Г) Р^ = 1,5 кПа; для точки (Д) РД =2 ,5 кПа; для точки (К) Рк = 1,5 кПа.
Соответственно время изменения давления между характерными точками будет равно. На участке включения стенда давление линейно с постоянной скоростью должно изменяться от 0 до Ртах в диапазоне времени ^ от 10 до 90 с. На рабочем участке должно поддерживаться постоянное давление Ртах в диапазоне времени ?2 от 120 до 360 с. На участке выключения давление линейно с постоянной скоростью должно изменяться от Ртах до 0 Па в диапазоне времени от 30 до 120 с.
Габаритные размеры резервуара для имитатора молока выбираем из конструктивных особенностей стенда для испытания доильных аппаратов, а также имитации участка кривой внутривымен-ного давления, находящейся за точкой Д.
В связи с тем, что изменение давления можно достичь за счёт регулирования напора, необходимо знать потребный напор на отдельных участках кривой изменения внутривыменного давления. При этом учитываем, что расход имитатора молока является величиной переменной и соответствует изменению интенсивности молокоотдачи коровой.
Приведённые кривые изменения внутривы-менного давления на выделенных нами ранее участках достаточно достоверно характеризуют изменение интенсивности молокоотдачи для
а)
б)
Рис. 2 - а) изменение внутривыменного давления в процессе доения:
I - режим № 1; II - режим № 2; б) результаты проверки блока имитации внутривыменного давления: 1 - теоретическая кривая, 2 - экспериментальная кривая
Результаты проверки соответствия внутривыменного давления в характерных точках
Показатель Характерные точки Значение показателя
режим № 1 режим № 2
теорет. эксперим. теорет. эксперим.
Первоначальное давление, кПа Б 3,0 3,0 3,0 3,0
Максимальное давление, кПа В 6,5 6,5±0,05 6,5 6,5±0,05
Давление в промежуточных Г - - 1,5 1,5±0,05
точках, кПа Д - - 2,5 2,5±0,05
Давление в конце доения, кПа К 5,5 5,5±0,1 1,8 1,8±0,1
различных технологических групп животных путём изменения внутривыменного давления.
Данные таблицы свидетельствуют о том, что блок имитации внутривыменного давления выполняет своё функциональное назначение с достаточной степенью точности. Расхождения между теоретическими и опытными данными не превышают ±0,1 кПа.
Наиболее полную оценку достоверности режимов работы блока мы получили при сравнении временных характеристик создания давления на характерных участках, полученных теоретическим и экспериментальным путём (рис. 2б).
В связи с тем, что кривая интенсивности молокоотдачи коровы была принята нами в качестве одного из основных оценочных показателей соответствия доильного аппарата физиологическим особенностям молокоотдачи, возникла необходимость в подборе приборов для её регистрации.
Для регистрации интенсивности молоко-выведения использовали молокомер Ме1а1топ Р21^21, регулирующий и контролирующий процесс доения и накапливающий в памяти текущие данные о доении.
В состав молокомера входят следующие компоненты: блок управления, блок питания, управляющий клапан, измерительный прибор.
Блок управления определяет интенсивность и характер поступающего молока в течение технологического времени с высокой степенью информации. В измерительном приборе производятся различные измерения количества молока (с помощью электродов) и измерение проводимости. Управление работой клапанов осуществляется из блока управления при помощи управляющего клапана. Блок питания обеспечивает блоки управления напряжением 24 В постоянного тока.
Молокомер Меіаїтоп осуществляет следующие измерения автоматически и при необходимости выводит информацию на индикатор:
— текущее количество молока (кг);
— максимальный надой в минуту (кг/мин);
— текущий надой в минуту (кг/мин);
— средний надой в минуту (кг/мин);
— время дойки одной коровы (мин);
— общее количество молока на данном месте за время дойки (кг).
После математической обработки полученных результатов строится кривая молоковыведения.
На основании проведённой проверки блоков имитации стенда можно сделать следующие выводы:
1. Конструктивно-технологические параметры блока позволяют имитировать кривые молокоотдачи различных групп коров (от 0,2 до 2,5 л/мин).
2. Искусственный сосок позволяет имитировать сопротивление, создаваемое сфинктером соска при извлечении молока из вымени животных различной тугодойности (26—55 кПа).
3. Конструкцией блока имитации внутривыменного давления можно реализовать в технологическом процессе закономерность изменения внутривыменного давления, свойственную животным при различных способах выведения молока: ручном, двух-, трёхтактном, синхронном и попарного доения.
Литература
1. Герасименко И.В. Разработка методики и определение конструктивно-режимных параметров испытательного стенда для доильных аппаратов: дисс. ... канд. техн. наук. Оренбург. 2008. 151 с.
2. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.
3. Карташов Л.П. Машинное доение коров. М.: Колос, 1982. 300 с.
4. Келпис Э.А., Матисон Э.А. О связи между характеристикой рабочих параметров доильного аппарата и качеством доильных раздражений вымени // Труды ЛСХА. Вып. 27. Рига: ЛСХА, 1970. С. 95—105.
