Теоретическое обоснование доильного аппарата с однокамерными доильными стаканами и управляемым режимом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

A numerical simulation of the process of moving milk-air mixture in the milking machine. Studied the fluctuations of the vacuum in the milking machine to the upper and lower dairy systems.

Keywords: the milking machine, dairy-air mixture, dairy system, numerical modeling, vacuum magnetic pressure.

УДК 636.2:631.3

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ОДНОКАМЕРНЫМИ ДОИЛЬНЫМИ СТАКАНАМИ И УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЖИМОМ

О.А. Чехунов, кандидат технических наук, доцент

Е.А. Мартынов, кандидат технических наук, доцент Белгородская ГСХА им. В.Я. Горина Е-mail: olegbelgorod@mail.ru

В статье представлено описание конструкции и дано теоретическое обоснование доильного аппарата с однокамерными доильными стаканами и управляемым режимом. Использование доильных аппаратов такой конструкции позволяет снизить заболеваемость вымени коров маститом и повысить молочную продуктивность животных. Ключевые слова: доильный аппарат, однокамерный доильный стакан, управляемый режим, вакуумметрическое давление.

О пользе использования доильного оборудования, не оказывающего отрицательного воздействия на вымя коров, неоднократно упоминалось как учеными, так и производственными рабочими. Эта проблема особенно актуальна при доении новотельных животных. Современная промышленность выпускает доильное оборудование, обеспечивающее автоматическое изменение режима работы и снятие подвесной части либо по заданной программе, либо в зависимости от интенсивности потока молока по вымени в целом. Однако специалистам известно, что большинство коров имеют ярко выраженную неравномерность развития четвертей вымени, что создает возможность недодоя одних и отрицательного воздействия высокого ва-

куумметрического давления на другие четверти вымени.

Из опыта известно, что слабое место серийно выпускаемых доильных аппаратов -доильные стаканы, а именно - их сосковая резина, изменение характеристик которой в процессе эксплуатации, механическое повреждение влечет за собой изменение режима воздействия на сосок и вызывает торможение, а иногда и полное прекращение процесса выведения молока. Следующий недостаток - наползание доильных станов на соски. Это вызывается многими факторами, в их числе - величина вакуумметрического давления в подсосковой камере, расширение сосковой резины в такте сосания, несоответствие массы доильного аппарата режиму доения. Отрицательно влияют на доение и ударные воздействия на соски, возникающие в результате цикловых пульсаций сосковой резины. В процессе доения корова испытывает вначале ударную нагрузку на сосок, потом сжатие его резиной, что приводит к постепенному ороговению соска и появлению на его поверхности трещин. Еще один недостаток - обратный ток молока, а также образование в подсосковой камере аэрозолей, способствующих проникновению патогенных микробов в полости молочных цистерн вымени [1].

Исходя из этого, необходимо создать доильный аппарат с однокамерными доильными стаканами, обеспечивающий автоматическое изменение вакуумметрического режима по четвертям вымени в зависимости от интенсивности молокоотдачи. Кроме того, это изменение должно осуществляться с использованием безынерционных датчиков потока.

Предложен доильный аппарат, включающий четыре однокамерные доильные стакана 1 и 2 (рис. 1), соединенные посредством молокопроводящих патрубков 3 и 4 с коллектором 5, распределитель 6, связанный посредством патрубков 7 и 8 с двухполупери-одным пульсатором (на схеме не показан) [2]. На корпусе доильных стаканов 1 и 2 расположены пневмоклапаны 9 и 10, соединенные посредством патрубков 11 и 12 с моло-копроводящими патрубками 3 и 4, которые, в свою очередь, связаны с подсосковой камерой доильных стаканов.

Рис. 1. Схема доильного аппарата

Патрубками 13 пневмоклапаны 9 двух диаметрально противоположных доильных стаканов 1 соединены с одной частью распределителя 6, а патрубками 14 пневмокла-

паны 10 двух других диаметрально расположенных доильных стаканов 2 - с другой частью распределителя 6.

Коллектор 5 доильного аппарата оборудован следующими камерами: молокоотво-дящей камерой 15, четырьмя рабочими 16, 17 (на схеме представлены две), молокоприемными 18, 19, дополнительными 20, 21 камерами и камерами управления 22, 23. Мо-локоотводящая камера 15 оборудована клапаном 24 и молокоотводящим патрубком 25, соединенным с доильным ведром или моло-копроводом (на схеме не показаны).

Дополнительные камеры 20, 21 и камеры управления коллектора 22, 23 оборудованы ограничителями вакуума, выполненными в виде гибкой мембраны 26, образующей с перегородками 27, 28 калиброванные щели 29, 30. Камеры управления 22, 23 сообщены с рабочими камерами 16, 17 калиброванными патрубками 31, 32, причем рабочие камеры 16, 17 сообщены с молокоотводя-щим каналом 33 отверстиями 34. Молокоотводящий канал 33 выполнен коаксиально с молокоот-водящей камерой 15 и оборудован калиброванными отверстиями 35, 36, связывающими его с дополнительными камерами 20, 21.

Молокоприемные камеры 18, 19 оборудованы рабочими колесами 37, 38 с лопастями, в центре которых в нижней части установлены подшипники скольжения 39,

40. В верхней части рабочие колеса 37, 38 оборудованы двухсторонними игольчатыми клапанами

41, 42, каждый из которых выполнен в виде верхнего и нижнего конусов, причем вершины нижних конусов направлены вниз, а верхних конусов - вверх. Нижние конусы в отверстиях 43, 44, выполненных в дне рабочих камер 16, 17 и сообщающих последние и молокоприемные камеры 18, 19, образуют калиброванные щели 43, 44, а верхние конусы в отверстиях 45, 46 сообщают рабочие камеры 16, 17 с атмосферой. Причем рабочие колеса 37, 38 с двух-

сторонними игольчатыми клапанами 41, 42 выполнены с возможностью вертикального перемещения, тем самым, обеспечивая изменение проходных сечений калиброванных щелей 43, 44, 45, 46. Дно рабочих камер 16, 17 в то же время образуют верхние кры-шки молокоприемных камер 18, 19 и оборудованы цилиндрическими выступами 47, предотвращающими попадание молока в рабочие камеры 16, 17. В нижней части рабочие камеры 16, 17 оборудованы отверстиями 48, 49, сообщающими рабочие камеры 16, 17 с дополнительными камерами 20, 21.

Молокоотводящие патрубки 3, 4, посредством которых доильные стаканы 1, 2 сообщены с молокоприемными камерами 18, 19 (рис. 1, 2) тангенциально с возможностью взаимодействия истекающего из них молока, поступающего по молокоотводящим патрубкам с лопастями рабочих колес 37, 38.

ЛЬ-

49 19

37

Рис. 2. Разрез А-А коллектора на рис. 1

Каждый из подшипников скольжения 39, 40 выполнен из двух частей - неподвижной 50 (рис. 3), прикрепленной к нижней части рабочих камер 29, 30 (рис. 1) с отверстиями 48, 49 для стекания молока, и подвижной 51 (рис. 3), прикрепленной к рабочим колесам 37, 38 (рис. 1). Плоскость разъема подвижной 51 (рис. 3) и неподвижной части 50 подшипника скольжения 39, 40 выполнена в виде двухзаходной винтовой поверхности, образованной двумя наклонными 52 и 53 и одной вертикальной 54 плоскостями, причем

угол наклона а наклонных поверхностей больше угла трения этих поверхностей. Распределитель 6 (рис. 1) выполнен в виде двух разделенных камер 55 и 56. Камера 55 распределителя 6 посредством патрубка 7 соединена с одной частью двухполупериодного пульсатора, а патрубками 13 - с пневмокла-панами 9 двух доильных стаканов 1, в то же время камера 56 распределителя 6 соединена с другой частью двухполупериодного пульсатора посредством патрубка 8, а патрубками 14 - с пневмоклапанами 10 двух других доильных стаканов 2.

0

----- 54

39 (Ш

Рис. 3. Схема подшипника скольжения

Каждый пневмоклапан, например 9 (для остальных пневмоклапанов обозначения патрубков указаны в скобках), выполнен из разделенных между собой гибкой мембраной 57 (рисунок 4) рабочей камеры 58 и управляющей камеры 59, последняя посредством патрубка 13 соединена с камерой 55 распределителя 6 (рисунок 1) (или патрубком 14 с камерой 56 распределителя 6).

Рабочая камера 58 (рисунок 4) выполнена с калиброванным отверстием 60, закрываемым сферическим клапаном 61, соединенным при помощи штока 62 с центром гибкой мембраны 57. Сферический клапан выполнен подпружиненным при помощи пружины 63 и с возможностью регулировать жесткость последней при помощи регулировочной гайки 64. Кроме того, рабочая камера 58

посредством патрубка 11 (12) соединена с молокопроводящим патрубком 3 (4) (рис. 1).

Для определения некоторых конструктивных параметров доильного аппарата, при которых обеспечивается его работоспособность, нами были проведены теоретические исследования. Доильный стакан - единственная часть доильного аппарата, которая при доении непосредственно взаимодействует с выменем. Поэтому от правильного выбора конструктивных параметров доильного стакана зависит здоровье и продуктивность животного.

Рис. 4. Схема пневмоклапана

Г

элементарный радиус соска, м; гк - контактный радиус между соском и однокамерным доильным стаканом, м; и2 - радиальное перемещение соска, м; Е2 - эмпирический переменный модуль упругости соска, Н/м2; а -угол наклона стенки доильного стакана к вертикальной оси У, град; йст - диаметр внутренней части доильного стакана, м; ёс1 -диаметр соска в месте его соприкосновения с присоском, м; Ь пр - высота присоска, м; /тр -коэффициент трения присоска по соску; К1 -коэффициент, характеризующий эллипсооб-разность соска.

Диаметр впускного отверстия

62

пневмо-клапана равен:

Как известно, к весу подвесной части доильного аппарата предъявляются противоречивые требования: она должна быть как можно меньше, чтобы аппарат не спадал с сосков вымени, и в то же время она должна быть больше, чтобы аппарат как можно меньше «на-ползал» на соски вымени.

Значение вакууммет-рического давления, необходимое для удержания подвесной части доильного аппарата с однокамерными доильными стаканами на сосках вымени:

Г) О СУ,

61

d = 4

во 2

ТУ

ТГ

I

128м ■ \ю(VI + ^2 + У3)

* ■ (Ра - Ррк )

■(2)

60_

63 58

57

64

где цв - динамическая вязкость воздуха, Пах; Iво - длина впускного отверстия пневмокла-пана, м; ¥1 - объем рабочей камеры, м ; ¥2 - объем патрубка, соединяющего молокопроводный патрубок с рабочей камерой пневмоклапана, м3; ¥3 - объем

3.

Р >

№с1с/тр1(РтГ ((1 ~М2)Г0\ + (1 +^2)Гк2 )-

_ Г ((1 - М2К2 + (1 + М2 )Г

п2

mg-

+d Ь Г К . МЛ/тр1Г2 ((1 -М2)Г02 +

+dclЬпрJ трК1 +-, -2- (1 )

р ^ Гк2((1 -^2)Го22 + (1)

- и 2 Е2(ГК - г22)г,2)] ■ 008 а

+ (1 + М2)гк )]0О8а

+ (1 + МгЩ

где т - масса подвесной части доильного аппарата, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; dc - диаметр соска, м; 1с - длина соска, м; /тр1 - коэффициент трения материала доильного стакана по соску; Рвн - внут-рисосковое давление, Па; Г2 - радиус соскового канала, м; /л2 - эмпирический коэффициент поперечной деформации соска; г02 -

11 (12) молокопроводного патрубка, м ; t - время процесса, с; ра - атмосферное давление, Па; ррк - текущее значение вакуумметрического давления в рабочей камере пневмоклапана, Па.

Для определения конструктивных параметров коллектора доильного аппарата, при которых обеспечивается его работоспособность, мы исходим из того, что скорость изменения вакуума в камерах коллектора при подаче или откачке из нее воздуха зависит от глубины разрежения.

Приведенный диаметр отверстия 45, 46 для поступления воздуха (рис. 1) при нижнем положении игольчатых клапанов 41 и 42:

^ =

128 ■ ¥ ■

кам

М,в ' 11(р<Ж - рв)1п ра - Р<Ж (3)

П *1 ■ ра ■ (ра - рв ) А - ра где ¥кам - объем камеры коллектора, м3; ¡1 - длина отверстия, м; рст - стимулирующее значение вакуумметрического давления, Па; рв - вакуумметрическое давление в ва-

4

4

куумной магистрали, Па; t1 - время процесса, С; р 1 *Рст •

Приведенный диаметр отверстия 43, 44 для откачки воздуха при нижнем положении игольчатых клапанов 41 и 42 равен:

/128-V -и • L(р — р ), р — р

d _ _кам ~ в 2 vлг а ± ст / г а г ст (4)

П-t2 - Га - (Га — ре )

р1 — рс

d _ 4 128 •Vкам • l2( ра — р«ом ) jn Fem — ря

П -13 - ра •( ра — рв )

, (5)

р2 — рн

где рном - номинальное значение вакуум-метрического давления, Па; - время процесса, с; р2 ^р ном >рв-

Диаметр рабочих колес коллектора можно определить из выражения: М„

D _

(6)

F _ р • sä

2 g

Л, i — Ре g

2 g

Ле .1 — Ле .2

Ре - g

(8)

где /2 - длина отверстия, м; Х2 - время процесса, с.

После начала интенсивной молокоотдачи за счет наличия лопастных колес клапаны 41 и 42 поднимаются вверх, увеличивая проходное сечение щелей 43, 44 для откачки воздуха из молокоприемых камер, при этом в последней изменяется значение вакууммет-рического давления от рст до р2. Приведенный диаметр отверстия для откачки воздуха при верхнем положении игольчатых клапанов будет равен:

где Мкр - крутящий момент на валу рабочего колеса с лопастями, Н м; ¥ж - сила давления жидкости на лопасть колеса, Н.

Крутящий момент на валу рабочего колеса с лопастями можно определить из неравенства:

Мкр >[(ра - Рв )• ^ + От ]^(а + атр ), (7)

где - площадь поперечного сечения клапана, находящегося под действием атмосферного давления, м ; Gкл - вес клапана с колесом, Н; ёср - средний диаметр винтовой линии опоры скольжения, м; а - угол подъема винтовой линии опоры скольжения, рад; атр - угол трения, рад.

Сила давления жидкости на лопасть рабочего колеса с учетом интенсивности моло-коотдачи равна:

где рм - плотность молока, кг/м ; 8в -пло-щадь поперечного сечения соска вымени, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; Им - напор молока в цистерне-соске вымени, м; рм1 - давление молока в вымени животного, Па; рм2 - давление молока при выходе из соска вымени, Па; им - скорость истечения молока на входе в коллектор, м/с; Илюп - высота лопасти колеса, м; Ялоп - радиус лопасти колеса, м; глоп - радиус основания колеса на котором закреплены лопасти, м.

В результате проведения факторного эксперимента по оптимизации конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с однокамерными доильными стаканами и управляемым режимом доения получены оптимальные значения факторов: масса подвесной части доильного аппарата - 1,56 кг; диаметр впускного отверстия пневмоклапана - 0,8 мм; приведенный диаметр отверстия для поступления воздуха при нижнем положении игольчатых клапанов - 2,25 мм; приведенный диаметр отверстия для откачки воздуха при нижнем положении игольчатых клапанов - 1,95 мм; приведенный диаметр отверстия для откачки воздуха при верхнем положении игольчатых клапанов - 2,5 мм; диаметр рабочего колеса с лопастями - 24 мм; площадь поперечного сечения клапана, находящегося под действием атмосферного

3 2

давления - 1,55-10" м ; угол подъема винтовой линии опоры скольжения - 0,55 рад.

Установлено, что предложенный доильный аппарат с однокамерными доильными стаканами работоспособен и эффективен на всех режимах доения коров. По сравнению с серийным доильным аппаратом типа АДУ-1 он более безопасен (испытания в течение 3-х месяцев показали, что он обеспечивает снижение заболеваемости вымени коров маститом на 16-18% вследствие снижения вакуума доения). За 90 дней лактации животные

опытной группы по молочной продуктивности превзошли коров контроля на 3,6%.

Литература:

1. Карташов Л.П. Повышение надежности системы «человек - машина - животное». Екатеринбург, 2000.

2. Пат. 2411721. Доильный аппарат / В.Ф. Ужик, О. А. Чехунов. Заяв. 23.11.2009; Опубл. 20.02.2011.

УДК 636.2.034: 631.3

The article describes the design and the theoretical substantiation of the milking machine with single-chamber teat cups and controlled manner. The use of milking machines of this design can reduce the incidence of mastitis and udder of cows to increase milk production animals. Keywords: milking machine, single chamber teat cup, controlled operation, vacuum pressure.

МЕХАНИЧЕСКИЙ ПУЛЬСАТОР ДЛЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА

В.Ф. Ужик, доктор технических наук, професор Д.Н. Клёсов, аспирант

О.В. Ужик, кандидат технических наук, доцент Белгородская ГСХА им. В.Я. Горина E-mail: uzhik16@rambler.ru

В статье показана актуальность создания пульсатора для доильного аппарата, обладающего возможностью изменения частоты пульсаций и соотношения тактов в процессе доения. Приведены схема и описание устройства пульсатора и его принципа действия.

Ключевые слова: корова, доение доильный аппарат, пульсатор, такт, частота, корпус, электродвигатель, золотник, камера.

Машинное доение коров - технологический процесс, при осуществлении которого исполнительный механизм (доильный аппарат) работает во взаимодействии с организмом животного. Это взаимодействие (доение) происходит 2-4 раза в день на протяжении длительного периода [1].

Считается, что существующие модели доильных аппаратов как в нашей стране, так и за рубежом не в полной мере обеспечивают стимуляцию режима молокоотдачи, имеют недостаточную интенсивность доения, влияют на заболеваемость коров маститом [2].

На процесс выведения молока из вымени коров влияют уровень вакуума под соском, частота пульсаций и соотношение тактов

пульсатора, вес доильных стаканов с коллектором, размер, форма, эластичность и степень натяжения сосковой резины и др., что, в конечном счете, сказывается на экономических показателях производства молока [3, 4].

Пульсатор служит «сердцем» доильного аппарата, сильно влияющим на молокоотда-чу, основными параметрами которого являются частота пульсаций и соотношение тактов. Чтобы животное не испытывало дискомфорта, не наносился вред его здоровью, он должен работать в соответствии с его физиологией [5, 6].

Некоторые детали пульсатора в зависимости от степени использования, конструкции сильно изнашиваются в течение короткого периода времени. При несвоевременной замене изношенных деталей наблюдаются отклонения в режиме его работы.

Поэтому перед дойкой обязательно проверяется частота пульсации и при необходимости, если есть такая возможность, регулируется [7].

Существуют различные конструкции пульсаторов, отличающиеся по типу, принципу действия и ряду других параметров.

Так, фирма «SAC» (Дания) предлагает электронный пульсатор попарного действия