ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ЦЕНТРОМ МАСС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

-&

DEFINITION AMOUNT OF BEEBREAD IN HONEYCOMBS WITH ORGANIZATIONAL AND ECONOMIC

RELATIONS BEEKEEPERS AND RECYCLERS

Nekrashevich Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, Professor of department mechanization of livestock

Mamonov Roman Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate Professor of department mechanization of livestock, mamonov.agrotexnol@yandex.ru

Torzhenova Tatyana Vladimirovna, candidate of economic science, associate Professor of department finance and credit, tanyatorg@rambler.ru

Kovalenko Michail Valerevich, assistant center testing of students

Burenin Kirill Viktorovich, graduate student

Burenina Yelena Ivanovna, student of magistracy

Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev

The article presents the organizational and economic scheme of relationships between suppliers and recyclers combs of beebread. Described technique of definitions the amount of beebread in honeycombs. Presented statistical data of overall dimensions, area and mass one beebread granule, as well as scheme of filling beebread in honeycombs.

Key words: beebread, overall dimensions, filling of honeycombs, mass of beebread granule.

References

1. Nekrashevich, V.F., Mamonov, R.A., Torzhenova, T.V., Kovalenko, M.V. Tekhnologiya, sredstva mekhanizacii i ehkonomika proizvodstva pergi. //Monografiya. - Ryazan', 2013. - 102 s.

2. Mamonov, R.A., Torzhenova, T.V. Tekhnologiyazagotovkiipodgotovkipchelinykhsotovkpromyshlennoy pererabotke na pergu i voskovoe syr'e. // Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta. - 2013. - №2. - S. 30-33.

3. Nekrashevich, V.F., Mamonov, R.A. Barabannaya sushilka dlya pyl'cevoy obnozhki. //Pchelovodstvo. -2007. - № 7. - s. 52-53.

4. Yablonskiy, A.A., Nikiforova, V.M. Kurs teoreticheskoy mekhaniki. Chast' 1. Statika. Kinematika. // Vysshaya shkola. - M., 1966. - 438 s.

УДК 001.57:637.125

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ЦЕНТРОМ МАСС

УЛЬЯНОВ Вячеслав Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой механизации животноводства, e-mail: ulyanov-v@list.ru

ХРИПИН Владимир Александрович, канд. техн. наук, докторант кафедры механизации животноводства, е-mail: khripin@mail.ru

КАРПОВ Юрий Николаевич, аспирант кафедры механизации животноводства НАБАТЧИКОВ Алексей Викторович, аспирант кафедры механизации животноводства Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

При извлечении молока у коров двухтактными доильными аппаратами наблюдается чрезмерное наползание стаканов на соски вымени и, как следствие, преждевременное прекращение молоковы-ведения. Анализ взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы позволил выявить: чтобы стаканы при такте сосания не наползали на вымя и обеспечивалось полное выдаивание коров, масса подвесной части доильного аппарата должна быть около 5 кг, а для надежного удерживания стаканов при такте сжатия - всего 2,5 кг. Существующие доильные аппараты не обеспечивают требуемую нагрузку на вымя. В данной статье рассмотрен краткий обзор конструкции и рабочий процесс доильного аппарата с изменяющимся центром масс. Авторами были получены, с использованием положений классической механики и математики, аналитические формулы, которые позволяют установить оптимальные параметры и режимы работы доильного аппарата с изменяющимся центром масс. Сопоставление результатов теоретических и эксперименталь-

© Ульянов В. М., Хрипин В. А., Карпов Ю.Н.,Набатчиков А. В., 2014 г.

ных исследований показывает высокую их сходимость, ошибка в среднем не превышает 4%. Ключевые слова: доильный аппарат, машинное доение, теоретические исследования.

Введение

При извлечении молока у коров двухтактными доильными аппаратами наблюдается чрезмерное наползание стаканов на соски вымени и, как следствие, преждевременное прекращение молоковы-ведения. Анализ взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы позволил выявить: чтобы стаканы при такте сосания не наползали на вымя, и обеспечивалось полное выдаивание коров, масса подвесной части доильного аппарата должна быть около 5 кг, а для надежного удерживания стаканов при такте сжатия - всего 2,5 кг. Существующие доильные аппараты не обеспечивают требуемую нагрузку на вымя [1,2,3].

Перспективным направлением совершенствования доильных аппаратов, на наш взгляд, является разработка доильного аппарата с изменяющейся в зависимости от такта работы нагрузкой на четверти вымени коровы. Подвесная часть такого доильного аппарата (рисунок 1) состоит из двухкамерных стаканов 1,2 и коллектора 3 [4,5,6,7].

Коллектор 3 содержит молокосборную камеру 4 и распределитель 5, цилиндр 6 с размещенным внутри поршнем 7, с образованием камер 8 и 9. Перемещение поршня 7 ограничивают демпферы

10. В распределителе 5 имеются камеры 11 и 12, соединенные шлангами с пульсатором попарного действия (не показан). Камеры 11 и 12 работают в противофазах и сообщены каналами 13 и 14 с камерами 8 и 9, а патрубками 15 и 16 с межстенными камерами стаканов 1 и 2. Если в камеру 11 от пульсатора подается воздух, то в камеру 12 -вакуум и наоборот. Для подключения коллектора к молокоприемнику служит клапан 17. Поршень 7 изготовлен из материала с высокой плотностью, что обеспечивает значительную массу при малых его размерах.

При доении в стакане 1 наступает такт сосания, а в стакане 2 - такт сжатия и, соответственно, перераспределение массы в коллекторе, действующей на доильные стаканы 1 и 2. Из-за изменения положения центра масс коллектора происходит его раскачивание, передающееся на вымя, что расценивается как положительный фактор, стимулирующий молокоотдачу и увеличивающий полноту извлечения молока.

Более подробно устройство и принцип работы доильного аппарата с изменяющимся центром масс изложены в источниках [4,5,7,8].

17,

1,2 - доильный стакан; 3 - коллектор; 4, 8, 9, 11, 12 - камеры; 5 - распределитель; 6 - цилиндр; 7 - поршень; 10 - демпфер; 13, 14 - канал; 15, 16 - патрубок; 17 - клапан Рис. 1 - Подвесная часть доильного аппарата: а - принципиальная схема; б - общий вид

Объект и методика исследований

Объект исследования - рабочий процесс доильного аппарата с изменяющимся центром масс. Теоретические исследования направлены на то, чтобы, используя положения классической механики и математики, получить расчетные формулы, позволяющие установить оптимальные параметры и режимы работы доильного аппарата с изменяющимся центром масс.

Теоретическая часть В виду сложности аналитического описания взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы, примем некоторые

допущения и упрощения. Масса подвесной части подобрана так, что стаканы относительно сосков вымени при доении неподвижны. Зафиксированные на сосках доильные стаканы рассматриваем совместно с соском. Трубки, соединяющие стаканы с коллектором, примем в качестве нитей или стержней, масса которых со стаканами сосредоточена в коллекторе. Цилиндр коллектора принят в виде направляющей, по которой перемещается поршень (ползун). В направляющей сосредоточена вся масса корпуса коллектора. При раскачивании подвесной части доильного аппарата соски вымени коровы совместно с доильными стакана-

ми изменяют свой угол наклона 9 относительно вертикали. С учетом приведенных допущений примем имитационную расчетную схему взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы (рисунок 2).

Рис. 2 - Расчетная схема взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы

За начало отсчета примем т. О1, ось О1Х справа налево, а О1У - вниз. Примем обозначения: m -

масса поршня, кг; M - масса всей остальной системы (корпус коллектора с молочными патрубками) с центром тяжести в точке О; S - расстояние от правого конца цилиндра коллектора до

поршня, м; р- угол отклонения подвеса (молочного патрубка) от вертикального положения, рад; l - длина подвеса, м; а - длина направляющей

(цилиндра), м; T,T2 реакции со стороны коллектора с поршнем на соски соответственно левой и правой долей вымени, Н.

Допустим, значения реакций T,T2 таковы, что стаканы будут неподвижны на сосках вымени, т. е. длины стержней О1А = О2В = l = const при движении всей системы. Взаимодействие подвесной части с выменем коровы удобно рассматривать по этапам. Выберем произвольное положение системы и приложим действующие силы (рисунок 2). При подключении доильного аппарата к вакууму перепад давлений передается на поршень, он приходит в движение, что приводит к изменению положения центра масс системы. При этом поршень и направляющая, по которой движется поршень, перемещаются в противоположные стороны. Так как направляющая зафиксирована концами на подвесах, то при движении направляющей происходит отклонение подвесов, что ведет к увеличению угла поворота ( тяг подвесов относительно вертикали. Поршень совершает относительное движение по направляющей. Направляющая, по которой перемещается поршень, совершает поступательное движение, скорости всех ее точек одинаковы как по направлению, так и по модулю. Точки А и В, в которых направляющая соединена с тягами подвеса, совершают вращательное движение при изменении угла поворота р. В то же вре-

мя точки А и В являются точками направляющей АВ. Значит, скорости поступательного движения остальных точек направляющей по отношению к неподвижным токам подвеса 01,02 будут направлены по касательной к окружностям движения точек А и В, т.е. перпендикулярно тягам подвесов 01А и 02В. Направляющая АВ при колебаниях тяг п од-веса будет занимать всегда горизонтальное положение.

Уравнение относительного движения поршня имеет вид

(1)

где г^ - движущая сила, действующая на поршень, А7; ф — силы инерции поршня,

Н; Гт - сила трения, Н.

Проекции на направляющую АВ силы инерции

нормальная составляющая касательная составляющая ф _

Сила трения по закону сухого трения Кулона

(2) (3)

Fm = f•N

(4)

где f -коэффициент трения; N - сила нормального давления, Н.

Сила нормального давления по схеме (рисунок 2), составит

N = mg + Ф ■ cos <р + ФТ • sin <р

(5)

(6)

Считая, что отсутствует перетекание воздуха из камер цилиндра, получим движущую силу в виде:

где - соответственно атмосфер-

ное, текущее, остаточное давления и величина вакуума, Н/м2; S1 - площадь торца поршня, м2; к -эмпирический коэффициент.

Окончательно уравнение относительного движения поршня (1) с учетом формул (2...6) имеет вид

(7)

Чтобы определить движение системы в целом, воспользуемся теоремой о движение центра масс и теоремой об изменении кинетического момента относительно точки О1. Последняя запишется следующим образом.

rlt

где

К.

- кинетический момент системы от-

носительно точки 01 ; - сумма моментов действующих на систему сил относительно точки О1

Н м. ■

Внешними силами являются сила тяжести поршня ~гп{г, сила тяжести остальной системы щ

и силы натяжения Т1 и Т2 .

На рисунке 3 представлена схема к определению

движения системы.

Кинетический момент системы относительно точки О, в векторной форме

К0г = гп - тЗп + г0 ■ М30 (9)

где гп>гъ соответственно радиус-вектор поршня и радиус-вектор центра масс (т. О), м; - вектор скорости поршня и центра масс системы, м/с;

т, М - масса соответственно поршня и остальной системы, кг.

х а_а

\jp_

л -> / гп / Y-t \/ Y \

\ А \ s п /

В ' и * 0

а/2

s

т{{ф - S sin (р ■ ф - S cos <р)+ M^l - ^ sin <р

Ik

п |^(l-S sin ф) ф-

Scos d

-Seos ф +M

1 — sin <

2

) — cos ф 2

= mg(S -1 sin <p)+Mg\^-l$m(p\-aT2 cos (p

(12)

Запишем теорему о движении центра масс:

(м + ш)хс = (у; + 7 2 )sin (р (13)

(м + т)ус ={м + m)g - (у; + Т2 )cos (р (14)

где Хс,Ус - координаты центра масс системы направляющая-поршень, м.

(S-lsinq>)m + f ^ - /sin<p]^í mS + M" ^ ^

— / sin

При ЭТОМ

Ус =

m + M m + M

Уп-ш + у^-М _ lcos<p-m + lcos<p-M

m + M

= /cos<z> (16)

M + m M + m

Продифференцировав дважды выражения (15), (16) и подставив в уравнения (13), (14), получаем:

mS + 1(м + m)(sin <р ■ (ф)2 - cos (р - {#>)) = (Гг + Т2 )sin <р (1 7)

(M + m)-/(cos£>'((i>)2 + sin^-(^))=(ri +T2)cos^-(M + m)g (18)

Решая совместно выражения (12), (17) и (18), получим после преобразований нелинейное уравнение вынужденных колебаний системы

mS cos сv

(19)

(p + —smcp = -

Рис. 3 - Схема к определению движения системы

Применяя векторный способ, получим кинетический момент всей системы относительно точки

01 в виде:

1(М+т)

Возбуждающей силой выступает движение поршня с массой т.

Подставив ускорение из выражения (7) в формулу (19), получим:

1 ф(м + msin2 ф + fmsinфcosф) + ml(ф} (sinфcosф + fcos2 ф) + + (M + m)gsin^ + fmgcos^ = F(t)cos^ (20)

Имеем нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка. Уравнение можно решить численно с начальными условиями

p(0)= 0,ф(о)= 0 . Затем с найденным значением p(t) , следует решать опять численно уравнение (7) или (19) с начальными условиями

S(0)= 0, S(0)= 0 . Если принять, что угол p мал (рассматриваются малые колебания, что в нашем случае вполне уместно) и пренебрегая малыми величинами, получим упрощенное выражение колебания подвесной части доильного аппарата.

(21)

Введем обозначения:

(Р —Р )s

(А>0 ), В = —-(В>0).

(10)

И сумма моментов действующих сил на систему относительно точки 01:

= к-асоя^Т2-к =

(11)

Теорема об изменении кинетического момента с учетом (10) и (11) после преобразований в проекции на вектор к будет

Ml Ml Ml

Тогда выражение (21) примет вид

2

ф + о) (р = A-fíe

(22)

Общее решение этого линейного неоднородного дифференциального уравнения имеет вид

<Ж)=<Робщ({)+<РЧат(1) (23)

Общее решение соответствующего однородного уравнения ф + co2p = 0 будет иметь вид

(Р„6Щ. (О = с\ cos cot + С2 sin cot (24)

Частное решение будем искать в виде *«.(') = С+ лг" (25)

Применяя стандартные правила решения таких уравнений, получим общее решение

(\ г, ^ ■ А Ве

<p{t) = Сг cos iot + С2 sin ш л—-

to¿+k¿

(26)

Для определения постоянных С19 С2 в выражении (26) воспользуемся начальными условиями.

^(о) = о, ф(о) = о. Постоянные будут в виде:

С =

в а/ -а(со2 + к2)

(®2+*2J

с, =-

Вк

(27)

со ^ +к ) о)\

С учетом найденных значений q, c2 получаем закон изменения угла отклонения р в виде:

, , Ва>2-а(ю2+к2) Вк . А В-е~ь

<PV)=-ТГ^-т-*с ■ COS fflt--т—^-г-г' S1H 0)t + г- ~ J г-;

а>2{й>2+к2) Jco2+k2) O)2 la> +k

(28)

Первые два слагаемых в формуле (28) описывают колебательный процесс с частотой со .

Решая совместно выражения (7) и (19) относительно ускорения получаем нелинейное уравнение

т(м + т5т2^ + йп = (29)

Так как уравнение (29) не решается аналитически, то упростим его с погрешностью, приемлемой

для инженерных расчетов. При малых углах р, пренебрегая малыми величинами, после преобразований выражения (29), получаем

(30)

М \ т )

о учетом выражений (7) и (28) формула (30) примет вид

11роинтегрировав выражение (31) в пределах времени от 0 до ^ получаем выражение для определения скорости поршня:

8(»)-(М+т)* (32)

5тп

C,(l-cos<M) С, C,t At2 В

со со а> ¿со V

где постоянные члены, входящие в выражение, определяются по формулам:

Вт1 -а[ф2 +к2)с

С' а2{т2+к2 [М + т)е

Пк

яг

, {Ра-Ph )S, - fing „ ( Р -Л ta

L2+Í'2

mi

mi

mi

(33)

Формулы описывают взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем коровы.

Результаты и выводы Для иллюстрации достоверности полученных аналитических выражений на рисунке 4 представлены теоретические и экспериментальные зависимости времени движения поршня (масса 0.5 кг, 0.75 кг и 1.0 кг, соответственно снизу-вверх) в цилиндре коллектора в пределах рабочей длины (Э=0,14м).

54 Рв, кПа

-экспериментальные зависимости

— - теоретические зависимости

Рис. 4 - Сравнительные графические зависимости времени движения поршня в цилиндре

Представленные графические зависимости показывают, что сходимость результатов достаточно высокая, ошибка в среднем не превышает 4 %. Поэтому аналитические формулы (26), (28) и (33) могут быть использованы при обосновании конструкторско-режимных параметров доильного аппарата с изменяющимся центром масс.

Список литературы

1. Ульянов, В. М. Совершенствование технологии и средств механизации доения коров [Текст] / В. М. Ульянов, В. А. Хрипин // Научно-технический прогресс в животноводстве - машинно-технологическая модернизация отрасли : сб. науч. тр. / ГНУ ВНИИМЖ. - Подольск, 2007. - Т. 17, ч. 2. - С. 23-30.

2. Направление совершенствования доильных аппаратов [Текст] / В. М. Ульянов, В. А. Хрипин, Р. В. Коледов, , Ю. Н. Карпов, А. Н. Кащеев // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей: в 3 кн. / IX Международная научно-практическая конференция (5-6 февраля 2014 г.). -Барнаул : РИО АГАУ,2014. -Кн. 3. - С. 53-54.

3. Экспериментальные исследования доильного аппарата с изменяющимся центром масс в производственных условиях [Текст] / Ульянов В. М., Хрипин В. А., Мяснянкина М. Н., Карпов Ю. Н. // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева. - № 3, 2014. - С. 49-54.

4. Пат. 2298916 Российская Федерация, МПК А0и5/00. Доильный аппарат [Текст] / Ульянов В. М., Хрипин В. А. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2005136607/12 ; заявл. 24.11.05 ; опубл. 20.05.07, Бюл. № 14. - 5 с. : ил.

5. Пат. 2410871 Российская Федерация, МПК А0и5/00. Доильный аппарат [Текст] / Ульянов В. М., Хрипин В. А., Мяснянкина М. Н. ; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2009113714/05 ; заявл. 14.04.09 ; опубл. 10.02.11, Бюл. № 4. - 8 с. : ил.

6. Хрипин, В. А. Доильный аппарат с новыми возможностями [Текст] / В.А. Хрипин, В.М. Ульянов // Роль молодых ученых в реализации национального проекта «развитие АПК» : материалы междунар. конф. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. - Ч. 1.- С. 293.

7. Ульянов, В. М. Доильный аппарат с изменяющимся центром масс [Текст] / В. М. Ульянов, В. А. Хрипин, М. Н. Мяснянкина // Сельский механизатор . - 2011. - № 5. - С. 28-29.

8. Ульянов, В. М. Определение оптимальных параметров доильного аппарата с изменяющимся центром масс [Текст] / В. М. Ульянов, В. А. Хрипин, М. Н. Мяснянкина // Вестник УГСХА. - 2011. - № 4. - С. 121-125

THEORETICAL RESEARCH MILKING MACHINE WITH VARIABLE CENTER OF MASS

Ulyanov Vyacheslav Mikhaylovich, professor, doctor of technical sciences, the head of the department of

livestock mechanization, E-mail: ulyanov-v@list.ru

Khripin Vladimir Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences, the doctoral student in the mechanization of livestock, e-mail: khripin@mail.ru

Karpov Yuriy Nikolaevich, the graduate student in the mechanization of livestock

Nabatchikov Alexey Viktorovich, the graduate student in the mechanization of livestock

Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev

When removing milk from cows with dual pulsation milking machines observed excessive creeping cup on the teat and, as a consequence of premature termination of lactation. Analytical analysis of the interaction of the hanging part of the milking machine to the udder of the cow, revealed that cups with tact sucking creeps on the udder, and provides a complete milking of cows, the mass of the hanging part of the milking machine should be about 5 kg, and to securely hold cups at the compression stroke the entire 2.5 kg. Existing milking machines do not provide the required load on the udder. This article discusses a brief overview of the structure and working process of milking machine with variable center of mass. The authors obtained analytical formules, using the position of classical mechanics and mathematics, that allow you to set the optimal parameters and modes of operation of the milking machine with variable center of mass. Check the results of theoretical and experimental research shows high their convergence, the error does not exceed an average of 4%.

Key words: milking machine, the theoretical research.

References

1. Ul'yanov, V.M. Sovershenstvovanie tekhnologiiisredstvmekhanizaciidoeniya korov/ V.M. Ul'yanov, V.A. Khripin //Nauchno-tekhnicheskiy progress v zhivotnovodstve - mashinno-technologicheskaya modernizaciya otrasli: sb. nauch. trudov / GNU VNIIMZh, t. 17, ch. 2. - Podol'sk, 2007. - S. 23-30.

2. Ul'yanov, V.M. Napravlenie sovershenstvovaniya doil'nykh apparatov/V.M. Ul'yanov, V.A. Khripin, R.V. Koledov, Ju.N. Karpov, A.N. Kashcheev// Agrarnaya nauka - sel'skomu khozyaystvu: sbornik statey: v 3 kn. / IX Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya (5-6 fevralya 2014 g.). Barnaul: RIO AGAU, 2014. Kn. 3. 423 s., s. 53-54.

3. Ul'yanov, V.M. Ehsperimental'nye issledovaniya doil'nogo apparata s izmenyajushchimsya centrom mass v proizvodstvennykh usloviyakh / Ul'yanov V.M., Khripin V.A., Myasnyankina, M.N., Karpov, Ju.N. // Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta imeni P.A. Kostycheva. - №3, 2014. - 100 s., S. 49-54

4. Patent RF RU № 2298916 C1 Doil'ny apparat// Ul'yanov, V.M, Khripin, V.A. //Opubl. 20.05.2007, Bjul. № 14

5. Patent RF RU № 2410871 C2 Doil'ny apparat /Ul'yanov V.M, Khripin V.A.., Myasnyankina, M.N. // Opubl. 10.02.2011, Bjul. № 4.

6. Khripin, V.A. Doil'ny apparat s novymi vozmozhnostyami /V.A. Khripin, V.M. Ul'yanov // Rol' molodykh uchenykh v realizacii nacional'nogo proekta «razvitie APK», ch. 1. / Sb. materialov Mezhdunarodnoy konf. -M.: FGOU VPO MGAU, 2007. - S. 293.

7. Ul'yanov,V.M. Doil'ny apparat s izmenyajushchimsya centrom mass /V.M. Ul'yanov, V.A. Khripin, M.N. Myasnyankina // Sel'skiy mekhanizator. - 2011. - № 5. - s. 28-29

8. Ul'yanov, V.M. Opredelenie optimal'nykh parametrov doil'nogo apparata s izmenyajushchimsya centrom mass /V.M. Ul'yanov, V.A. Khripin, M.N. Myasnyankina //Vestnik UGSKhA. - Ulyanovsk, 2011. - № 4. - S. 121-125.