Роликовый доильный стакан Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 636.2.034: 631.3

РОЛИКОВЫЙ ДОИЛЬНЫЙ СТАКАН

В.Ф. Ужик, доктор технических наук, профессор П.Ю. Кокарев, аспирант ФГБОУ ВПО Белгородский ГАУ Е-mail: kokarev.p.bel@mail.ru

Аннотация. Статья содержит классификацию доильных аппаратов выжимающего типа, преимущества и недостатки доильных аппаратов основанных на различных принципах работы. Приведены результаты многолетнего всестороннего изучения молочной железы и естественного процесса извлечения молока из соска, позволяющие утверждать, что именно механическое волнообразное воздействие на сосок вымени при доении наилучшим образом стимулирует рефлекс молокоотдачи и отвечает всем требованиям молочной железы, поскольку имитирует движения языка теленка при высасывании им молока из вымени. Представлена конструкция доильного стакана, в которой заданное направление движения роликов обеспечивают направляющие, расположенные на противоположных стенках корпуса стакана, причем форма направляющих имеет смещенные центры радиусов скруглений выступов внутренней и наружной поверхностей пазов, служащих для изменения направления движения осей роликов при смене такта, а также для сближения и удаления роликов друг от друга. Для рабочего органа, представляющего собой вращающийся на оси ролик, деформатора сосковой трубки приведены математические модели рабочего процесса силового механизма, которые выглядят как зависимость силы прижатия оси ролика к поверхности направляющей от вертикального положения деформатора, влияющего на направление и величину сил сопротивления сосковой трубки и соска ролику в процессе выжимания, а также зависимость вакуумметри-ческого давления в полости пневмоцилиндра, создающего усилие, преодолевающее вертикальную составляющую равнодействующей сил сопротивления, в зависимости от координаты ролика. Ключевые слова: доильный стакан, вакуумметрическое давление, сжатие, ролик, пневмоцилиндр, сосок вымени.

Проведенный нами анализ доильных аппаратов, принципиально различающихся способом извлечения молока из соска, позволил нам сделать вывод о недостаточном исследовании в области создания доильных стаканов выжимающего принципа действия (рис. 1). Опираясь на многолетнее всестороннее изучение молочной железы и естественного процесса извлечения молока из соска, можно утверждать, что именно механическое волнообразное воздействие на сосок вымени при доении наилучшим образом стимулирует рефлекс молокоотдачи и отвечает всем требованиям молочной железы, поскольку имитирует движения языка теленка при высасывании им молока из вымени [1].

Однако производители доильного оборудования давно отдали предпочтение наиболее упрощенным и надежным конструкциям отсасывающего принципа, использующим высокий перепад давлений для открытия сфинктера и извлечения молока.

С тех пор производство и совершенствование серийных доильных аппаратов ведется в одном направлении, в котором стремятся улучшить адаптивные качества, такие, как изменение соотношения тактов в двухтактных и трех-тактных аппаратах, регулирование величины вакуумметрического давления в подсосковой камере в процессе доения в зависимости от потока молока. При этом исключение вредного воздействия высокого вакуумметрического давления на соски вымени не представляется возможным.

Исходя из таких соображений необходимо обратить внимание на доильные стаканы, работающие по принципу выжимания, поскольку они имеют ряд неоспоримых преимуществ: безопасный «вакуум»; механическое массажное воздействие деформатора, способствующее раздражению множества важных рефлексогенных зон соска, приводящее к обильному выделению из гипофиза в кровь гормона окситоцина, активно участ-

вующего в процессе молокоотдачи; корова испытывает ощущения, похожие при высасывании молока теленком, что немаловажно для стимуляции рефлекса молокоотдачи.

Акт сосания вымени теленком достаточно изучен. При извлечении молока естественным способом участвуют как вакууммет-рическое давление в ротовой полости теленка, так и сила давления языка. Вакуумметри-ческое давление при этом редко превышает 25 кПа, что значительно ниже уровня разрежения в существующих серийных доильных

аппаратах (38-54 кПа). Давление распределяется по длине соска также, как при доении кулаком, но величина сил давления в 1,5-2 раза меньше. При каждом сосательном движении вакуумметрическое давление в полости рта теленка становится максимальным в тот момент, когда давление на основании соска становится наибольшим и остается таким до конца процесса сжатия соска [2]. Н.А. Петухов и Г.Е. Литман изучили акт сосания теленком, используя тензометрическую установку.

по расположению деформаторов

I ! ! .

в поперечной плоскости соска в продольной полскости соска

Рис. 1. Классификация выжимающих доильных аппаратов

В ходе экспериментальной работы выявлено, что процесс высасывания молока складывается из чередующихся тактов: разрежение - извлечение молока с использованием разности давления во рту теленка и в полости соска; разрежение и сжимание - извлечение молока под действием разности давлений и механического волнообразного воздействия языком на сосок; отдых - восстановление формы соска и заполнение его молоком. Пониженное давление в полости рта не прекращается, однако разница изменяется в пределах от 8 до 30 кПа. Сжимание языком теленок осуществляет последовательно сверху вниз от основания соска к его кончику [3].

При определении величин сил, воздействующих на различные участки соска животного, И.Н. Краснов использовал экспериментальную установку, содержащую искусственный сосок с индуктивными датчиками, и измерительное оборудование. Искусственный резиновый сосок состоит из четырех отдельных камер, оборудованных датчиками.

В процессе эксперимента выяснилось, что давление, оказываемое языком, различно по длине соска, и были получены численные значения. С наибольшей силой теленок сдавливает середину соска. Об этом можно судить по показаниям осциллографа. С силой в 32 кПа и 36 кПа сдавлены вторая и третья камеры соответственно. Частота чередования тактов варьировала в пределах 100-140 пульсов в минуту. А значение максимального давления, осуществляемого на различные зоны соска, зависит от величины потока молока, повышение которого приводит к снижению вакуумметрического давления во рту и

усилия сжатия языком соска [4]. При конструировании доильных аппаратов выжимающего принципа действия с соблюдением рекомендаций исследователей в области молочной железы и машинного доения они способны стать не только конкурентоспособными, но и быть более успешными [5-11].

Анализируя известные технические решения доильных аппаратов (рис. 1), выжимающих молоко из соска, мы пришли к выводу, что наиболее удачным его исполнительным механизмом, соответствующим требованиям молочной железы, является небольшого диаметра ролик, прокатывающийся по всему соску от основания к сфинктеру.

В разработанной нами конструкции заданное направление движения роликов обеспечивают направляющие, расположенные на противоположных стенках корпуса стакана. Форма направляющих имеет смещенные центры радиусов скруглений выступов внутренней и наружной поверхностей пазов, служащих для изменения направления движения осей роликов при смене такта. Перемещение поршня пневмоцилиндра, расположенного на дне стакана и соединенного тягами с осями роликов деформатора, происходит за счет разности вакуумметрического давления в корпусе стакана и давления, поступающего от пульсатора. Для предложенной конструкции предложено уравнение, характеризующее зависимость значения необходимой величины вакуумметрического давления в пневмоцилиндре в зависимости от диаметра пневмоцилиндра, величины натяжения сосковой резины в доильном стакане и положения ролика на вертикальной оси:

г(Яс - п^(Я - а - п )2 + (1 - у )2 Г Я - 2п - Ц

р _ + (р - р )_V_

- гжО2 {гизв п Б2(я - а - п)

Г I - у г

360° - агсБт г - агссоБ .

■\1(1 - у)2 + (я - п - а - г)2 7(1 - у)2 + (я - п - а - г)2

• СОБ-

У г

- агсБт г =■ - агссоБ . =

V У У2 +(Я - п - а - г)2 ^у2 +(Я - п - ё - г)2

Г

I - у г 2,9п 180°- агсБт —= - агссоБ г =-

7(1 - у)2 +(Я - п - й - г)2 ^1(1 - у)2 +(Я - п - й - г)2 ,

2

+

+ 8

е\ж[ Я-—У - 2—(— + п) I |

у

/ - у

__1+к

1 ' / • 81п(агсщ¡Ы^ 1

—ф +

+ е\ж[ Я - — I— - 2—(— + п)| |

/ - у

у

/ - у

__1 + к

1 • ^ I • агсъ (1 - У)' ^ 1 у

—в

ео8| 90° - аrсtg

у

Я - — - п ,

пВ

-8

е| п| Я--I— - 2—(— + п) I |

/ - у

__1 + к.

1' 81Пф / • 4аг^ (1

/ у || —ф +

+ е| п(Я - — I— - 2—(— + п)| |

/ - у

у

/ - у

-1 +

г • slnв , . ( (I - у)' tgв^ / г • вт| агсг^-1

—в

ео8| 90° - аrсtg

г - у

Я-п-—

пВ2

8кН - 40 пВ2

у

Я - — - п

Я - — - п

У

Я-—-п

+

Я-—-п

где Рвак - вакуумметрическое давление в полости пневмоцилиндра, Па;

В - диаметр пневмоцилиндра, м; N - нормальная сила прижатия роликов к вертикальной поверхности направляющей, Н;

к - коэффициент трения скольжения оси ролика о поверхность направляющей; г - радиус ролика, м;

Ризв - разность давлений, при которой начинается извлечение молока, Па;

РП - вакуумметрическое давление в под-сосковой камере, Па; Яс - радиус соска, м; — - толщина сосковой резины, м; п - толщина стенки соска, м;

/ - длина соска, м;

у - вертикальная координата ролика (0-/),

м;

Е - модуль Юнга сосковой резины, кг/м ;

/п - предварительное натяжение сосковой резины, м;

/ - коэффициент трения качения ролика по сосковой резине, м;

О - вес деформатора, кг.

Нормальная сила прижатия роликов к направляющей есть не что иное, как горизонтальная составляющая равнодействующей сил сопротивления ролику в такте выжимания. Она меняет свое значение в зависимости от положения ролика на вертикальной оси:

N = (РИЗВ - Рп )-

п2 (Яс - п \1(Я - — - п )2 + (/ - у )2 ( Я - 2п -

3— 2

(

360° - аггат

8(Я - — - п)

/ - у

4(1 - у )2 +(я - п - — - г )2

- агеео8

у1(/ - у )2 +(Я - п - — - г )2

- агс8т

у

С08-

^у2 +(Я - п - — - г)

- агссо8

4 у2 +(Я - п - — - г)

- +

Г

2,9п

180°- агс81п

/ - у

4(/ - у )2 +(Я - п - — - г )2

- агссо8

4(/ - у )2 +(Я - п - — - г )2

2

г

г

г

.^ипт! of VNIIMZH №3(19)-2015

93

Е

п 90

360 ° - атсБт

I - у

- агсБт

4(г - у )2 + (я - п - с - г )2 у

- агссоБ

- у )2 + (я - п - а - г)

+ -

(я - п - а - г)

- агссоБ

(я - п - с - г)

п +

за

4

Я -

п +

а + п(я - п — а) + 2п

л

Я-

п +

Я -

с У о з ,

п +— II я—с 2 Л 4

-2

+

Е 4с1

сг

180

360 ° - агсяп

I - у

4(1 - у )2 +(Я - п - с - г)

- агссоБ

4(1 - у )2 +(Я - п - С - г)

- агсяп

у

+ -

4у 2 +(Я - п - С - г )

- агссоБ

4у 2 +(Я - п - С - г )

п(Я - п - С)

Я — п — С —

п +

С

1 -

Я - С 2 у

Я - 3 С 4

Я — п — С —

п +

С

1-

Я - С 2 у

я - с

4

п +

С

1-

Я - С 2 у

Я - 3 С 4

п +

С

1-

Я - С 2у

я - с

4

+

е[п[Я - С|с - 2С(С + п)1 |

arctg---

л

л

I • БШ ф

I • бш! аг^

I - у I

—---1 + -п

(/ - у)• I

у

Сф +

+ е|ПГя - С^с - 2С(С + п)^ |

Я—С—п

у

I • БШ в

I • бШ! aгctg

-Ьу__1+±

(I - у)• tgв^ I

у

Св

• бш! 90°- аг^

I - у 4

Я - С - п

е[п[Я - С|с - 2С(С + п)| |

arctg-у-

У У Л А

I • БШ ф

I • бш! аг^

1—__1+±

(1 - у^I

у

Сф +

+ е|ПГЯ - С|с - 2С(С + п)^ |

Я—С—п

у

I • БШ в

I • бШ! агс/д

Ьу__1+±

(I - у)• tgв^ I

у

Св

• бШ! 90°- aгctg

у

Я - С - п,

у У

г

г

г

г

п

+

+

п

+

Подставляя в данное выражение известные величины и изменяя координату дефор-матора, можно определить силу прижатия оси ролика к направляющей в такте выжи

мания. Данные уравнения могут быть положены в основу расчета конструктивно-режимных параметров доильного стакана выжимающего принципа действия.

Литература:

1. Пейнович М.Л. Новое в физиологии лактации и доении. Новосибирск, 1996. 57 с.

2. Марченко Г.М. Сравнительная физиологическая оценка доильных аппаратов, работающих по принципу сосания и выжимания // Тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума по машинному доению с.-х. животных. М., 1983. Ч. 1. С. 54-55.

3. Петухов Н.А. Закономерности физических явлений акта сосания у телят // Сибирский вестник с.-х. науки. 1974. №1(19). С. 94-99.

4. Краснов И.Н. Доильные аппараты. Ростов, 1974.

5. Пат. 2109443 Ш. Доильный аппарат / В.Ф. Ужик, В.В. Кучумов. Заяв. 02.04.96; Опубл. 27.04.98

6. Заявка 2002106352/13 ^и) Доильный аппарат / В.Ф. Ужик и др. Заяв. 11.03.02.

7. Пат. 2491812 РФ. Доильный стакан выжимающего принципа действия / Ужик В.Ф., Кокарев П.Ю.

8. Ужик В.Ф., Кокарев П.Ю. Конструкция доильного стакана выжимающего принципа действия // Научное обозрение. 2014. №8. С. 40-42.

9. Ужик В.Ф., Кокарев П.Ю. Обоснование параметров выжимающего доильного стакана // Вестник Курской государственной с.-х. академии. 2014. №7. С. 75-77.

10. Ужик В.Ф., Кокарев П.Ю. Выжимающий доильный аппарат для коров // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №3. С. 67-70.

11. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучев И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. № 8(134). С. 36-38.

Literatura:

1. Pejnovich M.L. Novoe v fiziologii laktacii i doenii. Novosibirsk, 1996. 57 s.

2. Marchenko G.M. Sravnitel'naya fiziologicheskaya oce-nka doil'nyh apparatov, rabotayushchih po principu sosa-niya i vyzhimaniya // Tez. dokl. VI Vsesoyuznogo sim-poziuma po mashinnomu doeniyu s.-h. zhivotnyh. M., 1983. CH. 1. S. 54-55.

3. Petuhov N.A. Zakonomernosti fizicheskih yavlenij akta sosaniya u telyat // Sibirskij vestnik s.-h. nauki. 1974. №1(19). S. 94-99.

4. Krasnov I.N. Doil'nye apparaty. Rostov, 1974.

5. Pat. 2109443 RU. Doil'nyj apparat / V.F. Uzhik, V.V. Kuchumov. Zayav. 02.04.96; Opubl. 27.04.98

6. Zayavka 2002106352/13 (RU) Doil'nyj apparat / V.F. Uzhik i dr. Zayav. 11.03.02.

7. Pat. 2491812 RF. Doil'nyj stakan vyzhimayushchego principa dejstviya / Uzhik V.F., Kokarev P.YU.

8. Uzhik V.F., Kokarev P.YU. Konstrukciya doil'nogo stakana vyzhimayushchego principa dejstviya // Nauchnoe obozrenie. 2014. №8. S. 40-42.

9. Uzhik V.F., Kokarev P.YU. Obosnovanie parametrov vyzhimayushchego doil'nogo stakana // Vestnik Kurskoj gosudarstvennoj s.-h. akademii. 2014. №7. S. 75-77.

10. Uzhik V.F., Kokarev P.YU. Vyzhimayushchij doil'nyj apparat dlya korov // Vestnik VNIIMZH. 2013. №3.

C. 67-70.

11. Kormanovskij L.P., Ivanov YU.A., Tekuchev I.K. Ten-dencii primeneniya doil'nyh robotov // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2008. № 8(134). S. 36-38.

ROLLER TEAT CUP

V.F. Ujik, doctor of technical sciences, professor P. Y. Kokarev, post-graduate student FGBOU VPO Belgorod GAU

Abstract. The paper contains squeezing type milking machines' classification, milking machines' advantages and disadvantages based on different principles of operation. The mammary gland and natural process of milk extracting from the teat's long-term comprehensive study results are shown, allowing to state that the mechanical wave-like effect on the udder teat when milking is the best way to stimulate the milk flow reflex and meets all the mammary gland requirements, because it can imitate the calf tongue movement when it sucking milk from udder. The milking cup construction is presented, by which the rollers movement's preset direction provide rails located cup body walls' opposite, and the rails' shape has the displaced centers of radiuses of the inner and outer surfaces protrusions' circulars of the grooves, serving to change the rollers axes movement's direction when tact changing, as well as rollers' convergence and removal from each other. For the working organ, that is the teat tube deformer's roller rotating on the axis, have shown the working process power mechanism's mathematical models, which look like the dependence of the pressing force of the roller axis to the surface of the rail from the vertical position of the deformator, influencing the teat tube and teat's forces magnitude resistance direction the roller during squeezing process as well as the vacuum metric pressure's dependence in the pneumatic cylinder cavity creates a force, overcoming the forces of resistance resultant's vertical rail, depend on the roller coordinates. Keywords: teat cup, vacuum metric pressure, compression, roller, pneumatic cylinder, the udder teat.