Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований вакуумных систем питания доильных установок и их элементов, цель и задачи исследования 10
1.1 Влияние вакуумного режима на процесс молоковыведения 10
1.2. Анализ результатов исследований по стабилизации вакуумного режима на доильных установках 16
1.3. Анализ результатов исследований динамики работы вакуумных насосов 39
1.4. Вакуумные регуляторы 41
1.5. Цель и задачи исследования 49
2. Теоретические исследования динамических процессов стабилизации вакуума в доильных установках 52
2.1 Исходные положения и допущения, принимаемые при исследованиях 52
2.2 Передаточные функции основных звеньев вакуумной системы 55
2.3 Структурные схемы и передаточные функции вакуумной системы питания доильных установок 68
2.4 Статические и динамические характеристики элементов и узлов вакуумной системы питания доильных установок 71
Выводы 77
3. Методика экспериментальных исследований стабилизации вакуума в доильных установках 79
3.1 Программа экспериментальных исследований 79
3.2. Методика компьютерных исследований 79
3.3 Методика лабораторных исследований и производственной проверки 83
3.3.1. Установки и приборы для экспериментальных исследований ...83
3.3.2. Методика проведения опытов по исследованию параметров вакуумной системы питания доильной установки 91
3.3.3. Методика обработки экспериментальных данных 96
4. Результаты экспериментальных исследований вакуумной системы питания доильных установок и их анализ 99
4.1. Результаты исследования потока воздушной струи 99
4.2. Статические и динамические характеристики основных элементов вакуумных доильных систем 100
4.3. Результаты компьютерных экспериментов по динамике вакуумных доильных систем и их элементов 107
Выводы 115
5. Результаты производственной проверки энергосберегающей вакуумной системы питания доильных установок и расчет экономической эффективности ее применения 117
5.1. Результаты производственной проверки энергосберегающей вакуумной системы питания доильных установок с дискретным регулированием 117
5.2. Экономическая эффективность результатов исследования 126
Выводы 133
Общие выводы 134
Литература 136
Приложения 150
- Анализ результатов исследований по стабилизации вакуумного режима на доильных установках
- Передаточные функции основных звеньев вакуумной системы
- Установки и приборы для экспериментальных исследований
- Статические и динамические характеристики основных элементов вакуумных доильных систем
Введение к работе
К настоящему времени крупные механизированные фермы сельхозпредприятий за последние годы пришли в упадок, а поголовье коров резко сократилось. Особенно пострадало молочное животноводство, как наиболее сложная отрасль производства. Поголовье коров в общественном секторе производства сократилось более чем в два раза. В результате удельный вес поголовья мелких, почти немеханизированных ферм и личных подсобных хозяйств вырос с 28% до 50%, в связи с чем затраты труда на производство одного центнера молока выросли до 9,7 чел-ч, что на порядок выше западноевропейских /21/.
Увеличение производства животноводческой продукции и повышение ее качества - прямое следствие комплексной механизации и автоматизации производственных процессов в животноводстве.
Только прочная кормовая база, комплексная механизация и автоматизация производственных процессов в животноводстве обеспечивают эффективное использование вкладываемых средств и позволят в ближайшее время добиться повышения продуктивности скота.
Механизация доения избавила доярку от профессиональных заболеваний, тяжелого физического труда и обеспечила существенный рост его производительности. В то же время она породила ряд новых проблем, таких, например, как обезличка поголовья и массовые маститные заболевания. Это обусловило снижение продуктивности, срока службы коров и качества молока /21, 24, 26/. По данным /5, 16, 67, 114-116/ основной причиной массовых маститных заболеваний являются повышенный вакуум в системе и передержка доильных аппаратов на сосках вымени коров в конце доения.
Среди ряда проблем механизации и автоматизации фермерских хо--зяйств, в первую очередь, следует отметить чрезвычайно низкую степень механизации доения коров (ниже 10%). Одной из причин этого является отсут-
5 ствие в производстве надежных малогабаритных доильных установок с оптимальными параметрами.
Эффективность машинного доения коров определяется, в основном, техническими характеристиками, условиями эксплуатации доильных установок и устойчивостью вакуумной системы их питания. Нарушение вакуумного режима работы доильных установок способствует снижению рефлекса моло-ко'отдачи и может вызвать массовые маститные заболевания вымени коров, приводящие к преждевременной выбраковке животных. Маститные заболевания снижают продуктивность коров на 10... 15%.
Для поддержания устойчивой работы доильных аппаратов необходимо, чтобы рабочий вакуум был в пределах 48...53 кПа. Более высокий вакуум под соском при передержках (сухом доении) травмирует его внутренние ткани и является основной причиной массовых маститных заболеваний, а при низком вакууме снижается интенсивность и полнота выдаивания, и происходит преждевременный запуск коров.
Качество работы доильных установок, главным образом, зависит от вакуумной системы, включающей вакуумный насос, приводимый в работу электродвигателем, вакуум-регулятор, вакуум-баллон, вакуумметр и вакуум-провод.
Выпускаемые в России и странах СНГ вакуумные силовые агрегаты доильных установок не являются энергосберегающими. Они обычно работают в постоянном режиме, обеспечивая в допустимых пределах определенную величину расхода воздуха и глубину рабочего вакуума при постоянной потребляемой мощности двигателя независимо от нагрузки.
При низкой стоимости энергоносителей на первом плане была стоимость силовых агрегатов, и их упрощение себя оправдывало. В условиях постоянного роста стоимости энергоносителей эти показатели меняются местами, и обоснование энергосберегающих вакуумных силовых агрегатов становится особенно актуальным. Попытки обоснования параметров энергосберегающих вакуумных силовых агрегатов предпринимались неоднократно и ра-
нее. Вакуумные силовые агрегаты и установки относятся к динамическим системам. Однако при их исследовании применялись преимущественно статические методы, что не обеспечивало оптимизации их параметров. Поэтому исследование динамических процессов стабилизации вакуума в доильных системах и оптимизация параметров методом теории динамических систем, таких как теория систем автоматического регулирования, являются актуальными.
Научная гипотеза: снижение энергопотребления вакуумных систем питания доильных установок с грузовым вакуум-регулятором без нарушения вакуумного режима и зоотехнических требований к качеству процесса машинного доения коров возможно введением в структурную схему обратной связи управления величиной вакуума.
Рабочая гипотеза: путем моделирования динамических процессов в регуляторе и в вакуумной системе питания доильной установки возможно определение режимов и параметров устройств механизма обратной связи в структурной схеме объекта.
Объектом исследования является вакуумная система питания доильных установок с грузовым регулятором.
Предмет исследования - динамические процессы в регуляторе и в вакуумной системе питания доильной установки.
Методы исследования: анализ и синтез сложных систем с использованием теории систем автоматического регулирования и программного комплекса «МВТУ», компьютерный и натурный эксперименты.
Научная новизна состоит в описании процесса работы вакуумного регулятора и системы питания доильных установок, системного анализа и синтеза сложных вакуумных систем, их структурного моделирования на основе теории систем автоматического регулирования с использованием программного комплекса «МВТУ».
Практическую ценность представляют:
- примененный впервые в машинном доении на основе структурного
7 моделирования компьютерный эксперимент, позволивший существенно повысить качество научных исследований и свести к минимуму натурный эксперимент;
- пневматическая система управления работой вакуумных насосов, обеспечивающая значительное снижение их энергопотребления.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях ВНИПТИМЭСХ (2005-2008гг.)3 Азово -Черноморской агроинженерной академии (2005-2008гт.) и СКНИИЖ (2008г).
На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты анализа рабочего процесса грузового масляного вакуум-регулятора.
Математические модели в передаточных функциях вакуумной системы питания доильных установок и ее звеньев.
Переходные характеристики, анализ и синтез вакуумных систем питания.
Структурное моделирование вакуумных систем питания доильных установок.
Методика компьютерного эксперимента и структурного моделирования вакуумных систем питания.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ общим объемом 3,5 п.л. и получено решение РОСПАТЕНТА о выдаче патента на изобретение.
Реализация результатов исследования. Разработанная энергосберегающая система питания прошла производственную проверку в ОПХ «Экспериментальное», ОПХ «Зерноградское» и производственные испытания в фермерском хозяйстве «Колесов Э.В.» Зерноградского района Ростовской области. Результаты исследований приняты к использованию Азовским оптико-механическим заводом (ОАО АОМЗ, г. Азов).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 120 на-
8 именований, в том числе 3 на иностранных языках и приложения на 8 страницах, которые включают листинг использованных компьютерных программ, расчетные таблицы, акты внедрения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 13 таблиц.
В первой главе «Анализ исследований вакуумных систем питания доильных установок и их элементов, цель и задачи исследования» рассмотрены и проанализированы конструктивные решения, результаты исследований па-* раметров элементов вакуумных систем питания доильных установок и регуляторов вакуума. Определены направления совершенствования вакуумных систем, сформулированы цель и задачи дальнейших исследований.
Во второй главе «Теоретические исследования динамических процессов стабилизации вакуума в доильных установках» представлены результаты теоретических исследований динамики функционирования основных элементов вакуумной системы питания доильных установок на основе классических методов теории систем автоматического регулирования, определены передаточные функции системы.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований стабилизации вакуума в доильных установках» приведены общая программа методики компьютерных и экспериментальных исследований, производственной проверки, частные методики исследования параметров вакуумной системы питания доильной установки и обработки экспериментальных данных.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований вакуумной системы питания доильных установок и их анализ» представлены результаты экспериментальных исследований, статические и динамические характеристики основных элементов вакуумных доильных систем, компьютерного эксперимента по динамике вакуумных доильных систем и их анализ.
В пятой главе «Результаты производственной проверки энергосберегающей вакуумной системы питания доильных установок и расчет экономической эффективности ее применения» изложены результаты производственной проверки вакуумной системы питания доильных установок с дискретным
регулированием, предложена рациональная схема энергосберегающей вакуумной силовой установки и оценка экономической эффективности ее применения.
Работа выполнена в отделе механизации животноводства Государственного научного учреждения «Всероссийский Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ВНИПТИМЭСХ) (г. Зерноград Ростовской обл.), в соответствии с заданиями НИР 09.01.03 «Разработка наукоемких точных машинных технологий производства конкурентоспособных приоритетных групп продукции животноводства (молоко, говядина и свинина) на основе технических средств нового поколения и информационно-компьютерных технологий» и 09.01.04 «Разработка высокопроизводительной техники нового поколения для производства приоритетных групп конкурентоспособной продукции животноводства (молока, говядины и свинины)» Россельхозакадемии.
1. АНАЛИЗ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ПИТАНИЯ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Влияние вакуумного режима на процесс молоковыведения
Повышение уровня механизации процесса доения позволило существенно увеличить как производственную нагрузку доярки, так и количество обслуживаемого ею поголовья животных. Кроме положительных моментов, это привело к появлению ряда негативных проблем, связанных с обезличкой поголовья животных и ростом их маститных заболеваний, что снижает моло-коотдачу, качество молока и срок службы поголовья /21, 24, 26/. Основной причиной маститных заболеваний поголовья коров является нестабильность вакуума в системе питания доильных установок, вследствие не оптимальных параметров системы питания /5, 16, 67/.
Первоначально доение коров машинами проводилось только в стойлах, поскольку на заре машинного доения привязное содержание во всем мире было основным. В этих условиях и возникла идея создания безопасного для животных доильного аппарата с оптимальными параметрами. Однако создание такого идеального аппарата затягивалось. Чтобы исключить передержки доильных аппаратов и обезопасить животное от вредного воздействия ваг куума на внутренние ткани вымени, доярка в стойлах могла обслуживать не более двух аппаратов. Стремление увеличить производительность труда привело к необходимости доения коров в специально выделенных местах, позволяющих вести одновременно наблюдение и обслуживание значительно большего количества аппаратов при минимуме переходов. Поэтому помимо совершенствования доильного аппарата отрабатывались технология и организация доения, улучшались условия труда доярок, что, в свою очередь, положительно влияло на развитие доильной техники. Складывались определенные стереотипы доения. На смену простейшим стойловым доильным ма-
шинам пришли механизированные и автоматизированные доильные установки/7, 8, 21, 25/.
В результате реформирования в сельскохозяйственном производстве России произошли существенные структурные изменения в животноводческой отрасли, в том числе в молочном скотоводстве. При этом более чем в . два раза сократилось поголовье коров в общественном секторе, удельное поголовье коров на фермах малых форм хозяйствования увеличилось с 28% до 50%, а уровень затрат труда на производство центнера молока превышает на порядок уровень западноевропейских странах /6, 21, 23, 25, 27/.
Роль фермерских (крестьянских) хозяйств в увеличении производства сельскохозяйственной продукции, в том числе и животноводческой, в России постепенно возрастает, однако, следует отметить низкий уровень механизации доения коров (до 10%), вследствие отсутствия малых типоразмеров доильных установок с вакуумными системами.
Неудовлетворительная работа доильных установок вызывается, прежде всего, нарушением их вакуумного режима. Постоянство вакуумного режима в процессе эксплуатации обусловлена производительностью вакуумного насоса, которая, в свою очередь, определяется надёжностью его деталей и узлов /42, 43/.
С ростом производительности доильных установок высокие требования предъявляются и к их технологическим линиям в части обеспечения оптимальных условий работы доильных аппаратов. Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных учёных /5, 16, 18, 39/ установлено, что продуктивность животных во-многом определяется режимом работы доильной установки и, в первую очередь, её вакуумным режимом. Под действием вакуума осуществляется выдаивание коров, транспортировка молока от места доения к машинам для его первичной обработки и ряд операций, связанных с автоматизацией процессов доения. Колебания вакуума в любой доильной установке приводят к нарушениям молокоотдачи животных и снижению
их продуктивности. Согласно У.Г. Уиттлстоуну /103/, быстрое и качественное доение определяется, прежде всего, ровной и устойчивой работой вакуумного насоса.
Опытами /67, 74-78/ установлено, что между величиной рабочего вакуума и скоростью извлечения молока из вымени имеется прямая зависимость. При этом рабочий вакуум до 40 кПа считается безопасным для здоровья животных, однако тугодоиные коровы при таком вакууме полностью не выдаиваются /4, 82/. Снижение рабочего вакуума в подсосковых камерах доильных стаканов до 27...33 кПа приводит к неполному раскрытию сфинктера соска коровы, и поток молока прекращается /73/, что сказывается на средней скорости доения, полноте выдаивания и разовом удое. Кроме того, понижение вакуума в магистрали приводит к частому спаданию доильных стаканов с сосков, нарушению процесса доения, снижению производительности труда операторов и преждевременному запуску коров.
В связи с этим ряд исследователей /1, 58, 92/ занимались изучением влияния повышенного вакуума на скорость доения, количественные и качественные показатели доения коров. Так, Скроманис А.А. и Силиньш А. В. /100/ установили, что сфинктер соска коровы из-за физических свойств тканей может полностью открываться только при сравнительно большом перепаде давлений, что и послужило обоснованием применения сравнительно высокого вакуума (48...53 кПа) в процессе доения коров. Наибольшее распространение получили двухтактные доильные аппараты с рабочим вакуумом 48 кПа и трехтактные аппараты с величиной вакуума 53 кПа. По данным И.И. Полякова и И.И. Ирушкина /92/ повышение вакуума в вакуумпроводе до 60 кПа при доении коров трехтактным аппаратом («Волга») увеличивает содержание жира и скорость извлечения молока. Однако при этом увеличивается и опасность заболевания животных маститом, особенно при «холостом» доении. А.А. Соколов и Г. Талалаев /101/ считают, что повышение вакуума в системе свыше 50,5 кПа вообще недопустимо, так как это способст-
вует воспалению вымени коров, и служит причиной наползания доильных стаканов на соски.
Работа доильных аппаратов без нарушения нормальных физиологических процессов у животных возможна только при определенном вакууме, характерном для каждого из них.
Большинство современных доильных аппаратов в нашей стране и за рубежом работают при вакууме в пределах 42.. .53 кПа /39, 84, 87/, хотя в некоторых конструкциях этот диапазон значительно шире (33,3.. .93,1 кПа) /65/. Однако для осуществления эффективного доения необходимо обеспечить и достаточную стабильность рабочего вакуума. Колебания рабочего разрежения приводят к нарушению стереотипа доения, затуханию рефлекса молоко-отдачи, увеличению затрат времени на доение животных, снижению продуктивности коров/13, 15/.
По данным /67/ наиболее оптимальный вакуум под соском составляет 44 кПа, а во избежание спадания аппаратов оно должно поддерживаться в трубопроводе на уровне 50,5 кПа. Допустимые колебания вакуума на доильных установках Австралии /103/, установленные стандартом, составляют до 3 кПа, а в Новой Зеландии 1,6 кПа. Стандарты Швеции (фирма De-Laval) /117/ и Германии предусматривают наибольшую величину изменения рабочего вакуума в системе до 2,7 кПа /103/.
Нарушение технических параметров доильных установок, резкие изменения их во время доения оказывают существенное влияние на скорость мо-локоотдачи и увеличивают продолжительность выдаивания животных. Всё вышеизложенное относится к неавтоматизированным доильным аппаратам.
Автоматизированные доильные аппараты, манипуляторы и двухре-жимный доильный аппарат стабильностью своей работы, постоянством режима не приводят к анормальному доению /6, 7, 8, 21, 22, 23/.
Стабильность и величина вакуумного режима доильной установки определяются конструктивными особенностями вакуумной системы и, в пер-
вую очередь, производительностью вакуумного насоса /11, 37, 80/. В целях предотвращения значительных колебаний вакуума в системе создаются резервы производительности вакуумных насосов и емкости системы. Разность между максимальным и технологическим расходом воздуха доильной установкой характеризует резерв производительности вакуумного насоса. Величина резерва существенно влияет на стабильность рабочего вакуума — основу машинного доения — и ее важно учитывать при проектировании и подборе вакуумных насосов к доильной установке.
Экспериментальные исследования, проведенные в ГСКБ по комплексу , машин для ферм крупного рогатого скота (г. Рига) инженером С.Г. Бетиным /11/, показали, что производительность вакуумного насоса для любой современной доильной установки должна превышать расход воздуха доильными аппаратами в 2,25 раза, включая и технологический расход воздуха на привод всех узлов доильной установки.
Следовательно, для создания в системе необходимого уровня вакуума нужно, чтобы вакуумный насос обеспечивал откачку поступающего в систему воздуха и имел определенный запас производительности для покрытия случайных подсосов, а изменение производительности его в процессе экс- . плуатации не должно превышать допустимых значений.
Огромный вклад в разработку и совершенствование конструкций вакуумных насосов внес коллектив ученых, возглавляемый доктором технических наук И.Н. Красновым /42, 43, 74-78, 99/. Среди них работы по обоснованию режимов работы и параметров ротационного вакуумного насоса шлангового типа для малогабаритных доильных установок, пластинчатых вакуумных насосов двукратного действия для доильных установок, направленные на повышение эффективности машинного доения коров.
Известны разнообразные схемы и конструкции средств получения ва- * куума для машинного доения коров. По характеру воздействия на откачиваемый газ вакуумные насосы подразделяются на объемные и динамические.
Вакуумные насосы и устройства динамического типа - это устройства, в основном, вторичного привода. Они имеют довольно низкий КПД, равный 0,1...0,25. Для обеспечения их работы требуются мощные компрессорные установки, в связи с чем, несмотря на кажущуюся простоту, они требуют больших затрат энергии и средств.
Объемные вакуумные насосы работают на перемещении газов путем периодического изменения объема рабочей камеры. В машинном доении представителями их являются как поршневые, так и ротационные насосы. Поршневые вакуумные насосы подразделяются по типу рабочего органа на дисковые, плунжерные и мембранные.
В настоящее время во многих странах мира получили широкое распространение более совершенные ротационные вакуумные насосы низкого давления и средней производительности. По конструктивным признакам ротационные вакуумные насосы разделяются на пластинчатые, с катящимся поршнем, водокольцевые, двухроторные и шланговые.
В некоторых хозяйствах нашей страны 121 находят применение в машинном доении коров промышленные водокольцевые вакуумные насосы с жидкостным поршнем. Эти насосы не имеют распределительного механизма, металлических трущихся поверхностей и не требуют смазки во время работы, но имеют низкий КПД.
В ряде случаев при доении находят применение двухроторные (типа РУТС), шестерёнчатые и винтовые вакуумные насосы. По мнению доктора технических наук И.Е. Волкова /38/ повышение производительности в таких насосах ограничивается увеличением внутренних утечек воздуха.
По /86, 87/ схема распределения вакуума в доильных установках должна быть следующей: один насос для транспортировки молока, другой - для работы доильных аппаратов, третий - для осуществления автоматизации производственного процесса на доильной площадке. Такое распределение вакуумных насосов позволяет иметь в системе постоянный уровень вакуума и га-
рантирует бесперебойную работу всего технологического оборудования, работающего от вакуума.
1.2 Анализ результатов исследований по стабилизации вакуумного режима на доильных установках
Изучению динамики вакуумных элементов и систем, средств производства и стабилизации вакуума в машинном доении посвящены работы Н.М. Антроповского, Е.В. Беновой, Р.Э. Бинеева, И.Д. Богдана, А.С. Веприцкого, И.К. Винникова, И.Е. Волкова, О.Б. Забродиной, Л.П. Карташова, Б.А. Кар-ташова, В.В. Кирсанова, В.Т. Козлова, В.Ф. Королева, В.А. Королева, И.Н. Краснова, Н.И. Мжельского, A.M. Мисирова, B.C. Мкртумяна, А.И. Оберем-ченко, В.А. Петровского, В.П. Похваленского, А.Я. Салманина, А.Г. Серебрякова, П.В. Сидоренко, В.А. Стремина, Ф.Г. Стукалина, И.А. Хозяева, Ю.А. Цоя, Н.А. Яковенко и других.
Многочисленные исследования профессора И.Н. Краснова /74-78/ посвящены изучению аппаратов выжимающего действия, определению влияния различных параметров исполнительных органов доильного аппарата на мо-локоотдачу, вопросы теории исполнительных органов, взаимодействия сосковой резины с сосками вымени коровы, а также вопросы промывки молоко-провода.
Профессор И.А. Хозяев /19, 106/ исследовал биотехническую систему «человек - машина - животное» и разработал научные основы надежности функционирования системы ЧМЖ. Развитые им теоретические положения и практические результаты позволили определить направления системных исследований, одним из которых является разработка передаточных функций биологических объектов системы.
Теоретическое и экспериментальное обоснование биотехнической системы автоматизированного управления доением выполнила канд. техн. наук
О.Б. Забродина /60, 61/. Она разработала математические модели биологической системы управления процессами молокообразования, молокоотдачи и процесса доения коров, а также алгоритм функционирования системы.
Существуют различные способы регулирования параметров доильного аппарата в зависимости от скорости молокоотдачи. Как правило, они базируются на основе изменения частоты пульсаций, соотношения тактов или вакуумного режима, а иногда на комплексном регулировании двух и более параметров. Большинство исследователей считают изменение вакуума под соском в зависимости от скорости молокоотдачи основным способом эффективной защиты соска от его действия.
При этом центральной задачей является выбор регулятора вакуума, который бы поддерживал заданный закон регулирования. Анализ проведенных исследований показал, что, в основном, применяют два типа регуляторов: дискретного и непрерывного действия. К первому можно отнести устройство фирмы "De-Laval", применяемое в доильном аппарате "Duovac 300". Ко второму принадлежат синхронные регуляторы, обеспечивающие пропорциональное изменение вакуума в зависимости от скорости молокоотдачи. Они предпочтительнее, так как позволяют адекватно реагировать на изменение параметра задолго до прекращения истечения молока и способствуют оптимальному режиму доения. Кроме того, снижение вакуума уменьшает силу наползания доильных стаканов и улучшает выдаивание коров. Так, В.И. Ломакин считает, что вакуум в подсосковых камерах необходимо изменять от Нт[П до Нтах линейно в пределах 33...50 кПа в функции скорости молокоотдачи. Вместе с тем, последняя зависит от величины вакуума, то есть Im = f (Рвак), поэтому регулятор должен иметь определенный диапазон регулирования, в котором вакуум поддерживается на постоянном максимальном значении, а, начиная с некоторого (критического), происходило бы его синхронное понижение. Иными словами, для участка с интенсивной (постоянной) молокоот-дачей устанавливается постоянное максимальное значение вакуума, а для на-
чального и конечного периодов доения желательно синхронное регулирование от Нтах до Hmjn. Это позволит стабилизировать процесс доения, поскольку при непрерывном регулировании может происходить необоснованное "рыскание" вакуумного режима, влияющее на процесс молокоотдачи.
Предлагаемый В.В. Кирсановым /67/ способ (рисунок 1.1) регулирования вакуума в подсосковом пространстве доильного аппарата обеспечивает оптимальный режим доения и снижает до минимума опасность травмирования молочной железы коровы.
Дпильный ппщшт
I
Патик гмгака маппка
PH=fllHl
ВппЭ Ванных
Рвгупятпр Вакуума РВ
РинІмплпкппрайпЗІ
Рисунок 1.1 - Блок-схема регулятора вакуума по В.В. Кирсанову
Согласно его исследованиям полученные основные характеристики регулятора позволяют решить задачи синтеза его структурной и технологической схемы.
При изыскании путей и способов стабилизации вакуумного режима основное внимание обычно уделяют технической стороне проблемы: обоснованию необходимой производительности насоса, выбору оптимальной пропускной способности молочно-вакуумных коммуникаций, разработке более совершенных вакуумных регуляторов /67/. Между тем огромный резерв в решении проблемы находится в руках операторов машинного доения. Речь
Но поскольку стаканы надевали и снимали очень быстро, отклонения вакуума (средняя кривая) не превышали 2,7 кПа (20 мм рт. ст) /89, 90/.
На рисунке 1.3 представлена осциллограмма с наложением прососа воздуха при спадании молочного шланга. Из нее видно, что до возникновения прососа вакуум в молокопроводе (кривая 2) довольно стабилен, его колебания - менее 1 кПа. Периодические колебания вакуума в коллекторе от 48 до 40 кПа (кривая 3) определяются изменением разрежения и потока молока в подсосковых камерах доильных стаканов, вызываемым работой пульсатора, то есть они закономерны для двухтактного аппарата ДА-2М.
1 - в вакуумпроводе; 2 - в молокопроводе; 3 - в молочной камере коллектора; 4 — отметка времени Рисунок 1.3 - Осциллограмма величины вакуума при спадании молочного шланга на доильной установке УДЕ-8 «Елочка» по данным А.И. Оберемченко и Н.А. Яковенко
Обращает на себя внимание нестабильность разрежения в вакуум-проводе (кривая 1). Его колебания от 46 до 44 кПа следует считать значительными (при данной минимальной нагрузке), что обусловлено низкой динамической устойчивостью (вибрациями) серийных регуляторов. При просо-
се картина резко менялась. Вакуумный режим значительно ухудшался одновременно во всех местах.
В коллекторе разрежение снижалось до 20 кПа, в молокопроводе — до 42,5 кПа, в вакуум-проводе до 41 кПа. В соответствии с этим изменялись в сторону ухудшения режимы в подсосковых камерах доильных стаканов, что хорошо видно на верхней кривой. Поступление воздуха длилось всего 7 с, и в течение всего этого времени вакуумный режим был нарушен, что говорит о плохой работе регуляторов /89, 90/.
Влияние прососов на стабильность вакуума в молокопроводе (а с учетом имеющейся корреляции и в доильном аппарате) при надевании стаканов на соски животного показано на рисунке 1.4. В первом случае этот прием выполняли с впуском воздуха в каждый стакан, во втором - только через один из них, в третьем — небольшое количество воздуха равномерно поступало во все стаканы и, наконец, в последнем - стаканы поставлены быстро без слышимых прососов воздуха (продолжительность соответственно 10, 2, 7, 1с)/89, 90/.
Из сравнения осциллограмм видно, какое значение имеет правильное надевание стаканов на соски животного. В первом и во втором (воздух поступал только через один стакан) случаях максимальные отклонения вакуума очень велики - до 25 кПа. В третьем - нижний уровень вакуума составил 38 кПа, то есть отклонение тоже значительно превышало допустимую величину (5,3 кПа). И только в последнем случае этот показатель не выходил из нормы /89, 90/.
Особенно следует подчеркнуть недопустимость передержки стаканов в открытом состоянии при снятии аппарата с вымени. Исследования /63/ показали, что для эвакуации остатков молока вполне достаточно одной секунды при небольшом количестве подсасываемого воздуха.
1, 2, 3, - неправильное надевание стаканов с большими прососами; 4 - правильное надевание стаканов с минимальными прососами;
5 - отметка времени Рисунок 1.4 - Осциллограммы вакуума в молокопроводе доильной установки УДЕ-8 «Елочка» при различных прососах по данным А.И. Оберемченко и Н.А. Яковенко
Что касается технической стороны проблемы стабилизации вакуумного режима, то здесь исследователи отмечают следующее. Каждый, кто хоть один раз присутствовал на дойке, слышал характерное шипение и свист атмосферного воздуха. Трудно ожидать, чтобы это явление завтра прекратилось. Очень велики прососы на автоматизированных доильных установках УДА-8 «Тандем» и УДА-16 «Елочка» из-за неудачной конструкции манипуляторов. Много воздуха поступает через счетчики УЗМ-1 при удалении из них молока в молокопровод. Обеспечить в этих условиях стабильный вакуумный режим без внедрения надежных и эффективных регуляторов нельзя /89,90/.
На основе обобщения работ Е. И. Админа, Э. К. Вальдмана, Л. П. Кар-ташова, В. С. Мкртумяна и др., а также исследований /89, 90/ авторы пришли к выводу, что стабильность вакуума можно значительно повысить при условии улучшения конструкции доильных установок и счетчиков УЗМ-1, повышения качества их технического обслуживания. Серийный регулятор АДМ 08.010. неустойчив в работе, требует для заливки растительное и ди-
зельное масла, очень неудобен в обслуживании. Этих недостатков не имеют регулятор РВ-100 и его усовершенствованные модификации. В Сибири к 1988 г. их было внедрено 1,5 тыс. штук, в Краснодарском крае 3,5 тыс. (на общее поголовье 0,5 млн. коров) /89, 90/.
Обеспечить стабильный вакуумный режим доильных установок — это значит повысить производительность труда операторов, увеличить продуктивность коров и значительно снизить заболеваемость животных маститом. Проблема заслуживает того, чтобы решать ее комплексно и незамедлительно.
В стремлении сохранить в камерах доильного аппарата и в молокопро-водной системе доильной установки нужную величину вакуума, различные исследователи по-разному рассматривают вопрос о стабилизации вакуума на доильных установках с молокопроводом, проложенным вдоль коровника.
Клау П.А. и Тиэл К.К. /69/ рекомендуют применять молокосборники, установленные на молокопроводе.
По мнению Богдана И.Д. и Богдана И.З. /14/ лучшим вариантом стабилизации вакуума под сосками является доение коров в прозрачные мерные цилиндры, расположенные на уровне доильных стаканов.
Веприцкий А.С. и Хозяев И.А. /19, 106/ предлагали увеличить исходный вакуум по всей молокопроводной системе или монтировать молокопро-вод на уровне доильных стаканов.
Во избежание потерь магистрального вакуума с подъемом ветвей мо-локопровода в поперечном проходе коровника в свое время Бетин С. и Бей-нерт К. /12/ ріекомендовали поперечные ветви молокопровода укладывать на пол центрального поперечного прохода.
Вопросу сохранения необходимого вакуума при доении коров в моло-копровод уделяется значительное внимание. С целью оптимизации вакуумного режима при машинном доении в молокопровод А.Г. Серебряковым и Н.П. Шелковниковым /97, 98/ проведен ряд исследований по изучению коле-
бания величины вакуума в зависимости от частоты пульсации, числа доильных аппаратов, высоты расположения и длины магистральных участков доильной установки ДУ-150 «Даугава».
Изменение величины магистрального вакуума в молокопроводе и ва-куумпроводе в зависимости от числа доильных аппаратов и частоты пульсации (числа пульсов) на ветвях доильной установки «Даугава» показано на рисунке 1.5. Опыты проводились на прямолинейном участке и на участке центрального вакуум-регулятора доильной установки /97, 98/.
Как видно из рисунка 1.5 наибольшее падение вакуума с увеличением числа аппаратов и частоты пульсации происходит в вакуумпроводе.
Это объясняется тем, что отсос воздуха из вакуумпровода на доильных установках «Даугава» возможен только через дифференциальный регулятор (дроссель), т. е. значительное падение величины вакуума связано с законами дросселирования. Такое положение , по мнению авторов, наводит на мысль о целесообразности совершенствования конструкции центрального вакуумного регулятора доильной установки /97, 98/.
Рисунок 1.5 - Изменение величины магистрального вакуума в
зависимости от числа доильных аппаратов и частоты пульсации
(числа пульсов) на доильной установке «Даугава»
(90, 110, 130 - частота пульсации в мин)
(согласно исследованиям А.Г. Серебрякова и Н.П. Шелковникова)
Идея стабилизации величины вакуума А.Г. Серебряковым и Н.П. Шел-ковниковым /97, 98/ основывалась на законах динамики пневматических приводов, согласно которым движение твердого тела - поршня, мембраны, сильфона - должно рассматриваться как следствие газо- и термодинамических процессов, характеризующих перемещение частиц воздуха.
В качестве стабилизатора вакуума исследователями /97, 98/ использовался пневмопривод поршневого типа, устанавливаемый на участке вакуум-регулятора доильной установки, стабилизирующие (аккумулирующие) качества работы которого определяются объемом полостей расположенных по обе стороны плавающего поршня, снабженного пружиной и компенсационным отверстием.
1 - молокопровод; 2 - тензовакуумметры к осциллографу Н-700; 3 - соединительная муфта; 4 — съемная крышка; 5 - грубый фильтр
подсоса воздуха; 6 - регулятор подсоса
Рисунок 1.6 - Схема стабилизатора вакуума переменного режима,
разработанная А.Г. Серебряковым и Н.П. Шелковниковым
В положении стабилизатора, изображенного на рисунке 1.6, рабочая полость А сообщается с молокопроводом, а полость противодавления Б - че-
рез регулятор подсоса — с атмосферой. Перемещение поршня происходит под действием пружины и перепада давлений в полостях А и Б. Во время пере- v мещения поршня в правое крайнее положение (прямой ход) абсолютное давление в камере А становится больше или равным абсолютному давлению в камере Б. Такое положение характерно для случая, когда в молокопроводной системе произошел подсос воздуха /97, 98/.
При прямом ходе объем рабочей полости увеличивается, что способст
вует некоторому уменьшению давления, т. е. давление рм при переменном
объеме полости А является функцией времени t, перемещения поршня, его
скорости, интенсивности истечения воздуха через компенсационное сечение
f2 и других факторов /97, 98/. %
Прямой ход поршня стабилизатора состоит из трех периодов: подготовительного — период от начала возбуждения до начала движения поршня (время наполнения рабочей полости воздухом до момента, когда Рм = Рп, где Рп - давление в камере А в момент начала движения поршня вправо); основного - период перемещения поршня (рабочий ход); заключительного - период нарастания давления /97, 98/.
При обратном ходе поршня, а он возможен при Рр > Рм (hp < hM), когда вакуум стабильный и система работает при открытом клапане регулятора подсоса воздуха, поршень, преодолевая действие пружины, перемещается в *-левое крайнее положение /97, 98/.
В силу того, что стабилизирующий объем образуется только при прямом ходе поршня с интенсивным выравниванием давлений в полостях А и Б, циклы, имеющие место при обратном ходе поршня, авторами в данной статье не рассматриваются.
В ходе экспериментальных исследований /88, 89/ установлено, что наивыгоднейшая скорость поршня получается при диаметре компенсационного сечения, равном 0,009 — 0,015 м. При этом масса поршня стабилизатора диа-
метром 0,3 м, установленного на одной ветви молокопровода не должна превышать 10 кг.
Оптимальному режиму работы стабилизатора соответствует такой объем его рабочей полости, который был бы равен объему молоковакуумпровод-ной системы доильной установки, включая объем камер доильных стаканов.
При эксплуатации доильных установок одним из главных является вопрос стабилизации вакуумного режима. Лабораторией механизации машинного доения ВНИИМЖ (Н.М. Антроповский), в содружестве с кафедрой МЖФ МИИСП (Ю.И. Залевский) /3/, разработан стабилизатор вакуума, предназначенный для стабилизации вакуумного режима при групповом использовании доильных установок. Стабилизатор состоит из последовательно включенных пропорционально-дифференцирующего и усилительного блоков и отрабатывает пропорционально-дифференциальный закон регулирования. В качестве показателей хода технологического процесса стабилизатор использует величину и знак отклонения вакуума от номинального значения (±АР) и скорость (производную) этого отклонения (dAP/At).
Стабилизатор (рисунок 1.7) устанавливается на магистральном вакуум-проводе и работает в комплекте с любыми вакуумными насосами по принципу впуска воздуха из атмосферы в вакуум-провод. В состав стабилизатора входят: чувствительный элемент (датчик), задатчик, управляющий орган, исполнительный механизм и регулирующий орган. Чувствительный элемент представляет собой резинотканевую мембрану 4, заключенную в металлический корпус. Снизу мембрана соединена с пружиной растяжения 2, имеющей регулировочный винт 1. Пружина и винт играют роль задатчика. Сверху мембрана через шток соединяется с управляющим органом 5, представляющим собой клапан с резиновым уплотнением. Исполнительный механизм состоит из корпуса 10, имеющего постоянное седло клапана. К нему снизу крепится мембранная коробка, внутри которой находится большая рабочая мембрана 9 с подвижной тарелкой. В центральное гнездо тарелки через тол-
катель упирается шток клапана, передающего вертикальное движение мембраны регулирующему органу 11, выполненному в виде металлического клапана с резиновым уплотнением /3/.
1 - регулировочный винт задатчика; 2 - пружина; 3 — импульсные трубки; 4, 9 - мембраны; 5 - управляющий клапан; 6 - соединительная
трубка; 7, 8 - дроссели; 10 — корпус исполнительного механизма;
11 - регулирующий клапан
Рисунок 1.7 - Схема экспериментального стабилизатора вакуума,
разработанная Н.М. Антроповским и Ю.И. Залевским
Стабилизатор работает следующим образом. В установившемся режиме, когда расход воздуха доильными установками равен производительности v вакуумного насоса, мембрана 4 чувствительного элемента находится в равновесном состоянии. При этом воздух из атмосферы проходит под клапан 5 и через дроссель 8 подается в подмембранное пространство исполнительного механизма. При увеличении числа работающих доильных аппаратов увеличится приток воздуха в вакуум-провод, и вакуум станет ниже номинального. Это вызовет движение мембраны 4 вниз вместе с клапаном 5. Приток атмо-
сферного воздуха уменьшится, что повлечет за собой перемещение вниз клапана 11. Подсос воздуха стабилизатором из атмосферы прекратится, и вакуум поднимется до номинального. При повышении вакуума выше номинального процесс регулирования повторится в обратном направлении /3/.
Доильная установка с точки зрения автоматического регулирования
представляет собой сложный объект с распределенной по длине емкостью.
обладающий значительным запаздыванием в передаче возмущения регули
руемого параметра /94, 95/. Опережение регулирующего воздействия про
порционально-дифференциального стабилизатора имеет большое значение
при регулировании технологических процессов в таких объектах. Оно осу
ществляется дифференциальной частью пропорционально-
дифференцирующего блока стабилизатора. Стабилизатор испытан авторами
/94, 95/ в лабораторных и хозяйственных условиях (табл. 1.1).
Таблица 1.1- Результаты испытаний экспериментального
стабилизатора согласно исследованиям B.C. Прусенко
Нормальная работа доильной установки во многом определяется наличием надежной системы стабилизации вакуума. Применяемые в настоящее время вакуумные регуляторы дроссельного типа, осуществляющие регулирование посредством дополнительного впуска атмосферного воздуха в трубопровод доильной установки, не позволяют обеспечить современные техниче-
ские требования /108/. Эти регуляторы поддерживают заданное значение вакуума с точностью ± 12-16% при допустимой погрешности не более 2,5%, время регулирования составляет 15-20 с при допустимом не более 5 с. Для дроссельных регуляторов характерен такой принципиальный недостаток, как необходимость запаса производительности вакуум-насоса, превышающего максимальный полезный расход воздуха в несколько раз. При этом насос во время всего цикла доения работает с постоянной производительностью. Избыточное количество воздуха, равное разности между расходом воздуха доильными аппаратами и производительностью вакуумного насоса, поступает через вакуумный регулятор в доильную установку. Полезный расход воздуха в доильной установке колеблется в пределах от 0,1 до 1,1 номинального расхода всеми доильными аппаратами, и его изменение во времени носит случайный характер. Колебание вакуума приводит к уменьшению скорости доения, повышенному заболеванию животных маститом и, как следствие, снижению надоев /108/.
Изучение опыта эксплуатации промышленных пневматических и гидравлических систем показало, что наиболее перспективно и экономично стабилизировать давление при наличии переменного расхода газа или жидкости применением регулируемого привода для насосов и компрессоров /59/.
Проведенные Ю.А. Цоем и А.А. Герасенковым /108/ исследования подтвердили, что использование регулируемого электропривода позволяет стабилизировать вакуум путем автоматического регулирования производительности насоса изменением частоты его вращения пропорционально приращению расхода воздуха в доильной установке. В этом случае отпадает необходимость в запасе производительности вакуум-насоса, так как появляется возможность получать максимальную частоту вращения, равную 150-180% номинальной, в течение 20—30 мин.
Регулируемый электропривод вакуум-насосов доильных установок должен отвечать следующим требованиям: характер изменения частоты вра-
щения - плавный, точность поддержания заданной скорости - 2%. В соответствии с этими требованиями установлено, что наиболее целесообразно использовать асинхронные электроприводы с электромагнитной муфтой скольжения и с импульсным регулированием в цепи выпрямленного тока ротора электродвигателя /40/. В этом случае при относительно простой схеме, малой массе и габаритах достигается, высокая надежность усилительно-преобразовательного устройства и всего привода в целом.
Структурная схема автоматической системы стабилизации вакуума с передаточными функциями ее звеньев представлена на рисунке 1.8, где Р0 -абсолютное давление воздуха в системе; S/ - полезный расход воздуха доильной установкой; SH — быстрота откачки вакуум-насоса; п — частота вращения насоса; / - ток управления регулируемым электроприводом; UK — напряжение сигнала коррекции; Up — напряжение датчика давления; /? — напряжение, пропорциональное заданному значению вакуума; A Ujj — напряжение сигналов рассогласования.
Анализ передаточных функций приводов с электромагнитной муфтой скольжения и с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора показал, что их можно представить в виде двух последовательно соединенных апериодических звеньев первого порядка /111, 112/. Согласно рисунку 1.8 схема, состоящая из объекта регулирования О, регулятора Р и главной обратной связи ГС, представляет собой статическую систему автоматического регулирования третьего порядка. Чтобы достичь точности регулирования не менее 2,5%, в данной системе требуется 6-8-кратное увеличение производительности вакуум-насоса по отношению к максимальному полезному расходу воздуха доильной установкой, что не всегда приемлемо. В связи с этим, целесообразнее использовать, по мнению авторов, астатическую систему регулирования. В данном случае статическая ошибка системы будет определяться только зоной нечувствительности датчика давления /10/.
О
Рисунок 1.8 — Структурная схема автоматической системы стабилизации вакуума по данным Ю.А. Цоя и А.А. Герасенкова
Астатическая система регулирования получена исследователями введением в структурную схему (рисунок 1.8) звена коррекции DC, охватывающего звенья привод-усилитель положительной обратной связью. При этом передаточная функция разомкнутого прямого канала автоматической системы стабилизации вакуума имеет вид:
W(s) =
(1)
hkHk3kykp(Tocs + \)e^
(T0s + \)[(T0Cs + \)(T9s + \)(TMs +1; -1]
причем
KKs~kkk
(2)
где s — оператор дифференцирования; k0, kn, кэ, км, ky, kp — соответственно коэффициенты передачи объекта регулирования вакуум-насоса, электромагнитного звена привода, электромеханического звена привода, схемы управления, датчика давления; Т0, Тэ, Тм, т — соответственно постоянные времени объекта регулирования, электромагнитного звена привода, электромеханического звена привода, транспортного запаздывания.
Регулирование скорости электродвигателя вакуум-насоса осуществлялось изменением активного сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора. Схема (рисунок 1.9) работает следующим образом: пилообразное напряжение сравнивается с задающим сигналом, с сигналом датчика давления и с напряжением коррекции, поступающим от тахогенератора. В соответствии с отклонением фактического значения вакуума от заданного меняется продолжительность включенного состояния триггера Шмидта, т. е. длительность времени замкнутого состояния сопротивления в цепи выпрямленного тока
ротора электродвигателя.
ГПН - генератор пилообразного напряжения; СУ — суммирующее
устройство; ТШ - триггер Шмидта; УМ — усилитель мощности;
ТТ - тиристорный ключ (триггер); АД - асинхронный
электродвигатель с фазным ротором; ТГ - тахогенератор;
ДР - токоограничивающий дроссель; R - активное сопротивление в
цепи выпрямленного тока ротора электродвигателя;
Uni, 2, з 5 UCM — напряжение питания
Рисунок 1.9 — Принципиальная электрическая схема автоматической системы
стабилизации вакуума (по данным Ю.А. Цоя и А.А. Герасенкова)
Под действием импульсов управления, поступающих на тиристорный ключ, изменяется эквивалентное активное сопротивление в цепи ротора, среднее значение которого пропорционально скважности импульсов триггера Шмидта /10, 20, 40, 59, 108, 111, 112/.
Эквивалентное сопротивление в цепи выпрямленного тока ротора электродвигателя
R0=R(\-y),
t3 (3)
где R — активное сопротивление в цепи выпрямленного тока ротора, включенное постоянно; у — скважность импульсов управления; Т — период следования импульсов пилообразного напряжения; t3 — время замкнутого состояния сопротивления в цепи ротора.
Вакуум-регуляторы, применяемые в доильных установках, не ликвидируют статистического отклонения остаточного давления при изменении потока воздуха через вакуумпровод, вызываемого работой аппаратов. Отклонение остаточного давления от номинальной величины в вакуумной системе (измеренной у вакуум-регулятора) достигает 10,5-13 кПа. К этой величине во время работы добавляется изменение остаточного давления, вызванное линейными и местными сопротивлениями вакуумной системы. В результате остаточное давление в доильном аппарате меняется в значительных пределах, что отрицательно влияет на процесс доения /108/.
В статье Ю.Коса /70/ рассмотрена динамика процесса регулирования с целью ликвидации статического отклонения остаточного давления, возникающего вследствие неудовлетворительной работы вакуум-регулятора при изменении потока воздуха по вакуумпроводу.
Вакуумпровод вместе с вакуум-регулятором представляет собой систему автоматического регулирования, функциональная схема которой показана на рисунке 1.10. Величины, участвующие в процессе регулирования
(изменение остаточного давления Ар, перемещение клапана вакуум-регулятора AS, изменение потока воздуха через щель клапана (вакуум-регулятора AQP), взаимосвязаны /70/.
Возмущение системы регулирования, вызванное изменением потока воздуха по вакуумпроводу, в общем случае является случайной функцией f(t). Исследование динамики вакуумной системы, по мнению автора, целесообразно проводить при скачкообразном изменении остаточного давления в вакуумной системе, вызванном изменением потока по вакуумпроводу. Такое возмущающее действие наиболее соответствует реальному возмущению во время работы доильной установки - скачкообразному изменению остаточного давления в результате увеличения потока воздуха по вакуумпроводу в случае спадания доильного аппарата с вымени /70/.
f(N
п
1 - вакуумпровод; 2 - чувствительный элемент (площадь клапана);
3 - регулирующий орган (щель клапана) Рисунок 1.10 — Функциональная схема регулирования остаточного давления в вакуумной системе по Ю. Коса
Реакция вакуумной системы на скачкообразное возмущение и характер изменения потока воздуха через вакуум-регулятор зависит от типа применяемого регулятора и обеспечиваемого им закона регулирования /70/.
Динамика движения подвижной части вакуум-регулятора, применяемого в доильных установках (рисунок 1.11), выражается нелинейным дифференциальным уравнением /70/:
d2As
т-
(4)
±r = kxApv
dt*
где m — масса подвижной части вакуум-регулятора; As — приращение перемещения подвижной части вакуум-регулятора; г - сила сопротивления перемещению подвижной части, вызванная сухим трением между направляющими и стержнем клапана; kj - коэффициент усиления вакуум-регулятора; Ар — приращение остаточного давления в вакуумной системе.
к:АО
! '
d?us
'-о
і-
1 - вакуумпровод; 2 - клапан вакуум-регулятора; 3 - стержень клапана;
4 - груз; 5 — направляющие
Рисунок 1.11- Схема серийного вакуум-регулятора доильных установок по данным Ю. Коса
Изменение остаточного давления в вакуумпроводе доильной установки (объекте регулирования) описывается дифференциальным уравнением /70/:
Г0 ^ + Ар = -k0As + k0f(t) (5)
где То - постоянная времени вакуум-провода; ко — суммарный коэффициент усиления вакуум-провода и щели клапана.
Решив совместно уравнения (4) и (5), автор /70/ получил дифференциальное уравнение динамики системы регулирования:
тТ0 —f- + т—-f + к0к{Лр ± k0r = тк0 f "' (6)
at at at
По окончании переходного процесса члены уравнения (6), содержащие производные, превращаются в нуль. Статическое отклонение остаточного давления в системе с регулятором по уравнению (4) имеет величину /70/
4>c*.=±f (7)
Из уравнения (7) следует, что величина статического отклонения прямо пропорциональна силе сухого трения и обратно пропорциональна коэффициенту усиления вакуум-регулятора /70/.
Сила сухого трения г является нелинейной функцией, ее величина непостоянна и зависит от состояния трущихся поверхностей и изменения их состояния с течением времени (износа, загрязнения, коррозии, набухания, увлажнения, температуры и других воздействий) /70/.
Знаменатель уравнения (7) может быть увеличен только до определенного предела, налагаемого условиями динамической устойчивости системы регулирования /70/.
Таким образом, в системах с регуляторами, содержащими звенья с сухим трением, статическое отклонение остаточного давления не может быть полностью ликвидировано /70/.
Полная ликвидация статического отклонения остаточного давления в вакуумной системе возможна в случае применения вакуум-регулятора, в ко-
тором звено с сухим трением заменено интегрирующим звеном. Как видно из характеристики интегрирующего звена (рисунок 1.12), сила сопротивления перемещению F пропорциональна коэффициенту усиления звена и скорости перемещения подвижной части вакуум-регулятора /70/.
і->=Ш
Рисунок 1.12 - Статическая характеристика интегрирующего звена согласно исследованиям Ю. Коса
(8)
F = кхАр = с2
где с2 — коэффициент сопротивления, пропорциональный скорости перемещения подвижной части вакуум-регулятора.
Дифференциальное уравнение движения подвижной части вакуум-регулятора с интегрирующим звеном /70/:
d As dAs
т-
dt2 * dt
+ с2 = кхАр
(9)
или после преобразования:
Тх + As = г_х ,
(10)
где Тх = — - постоянная времени; г_х = — - коэффициент, показывающий ин-
тенсивность введения интеграла в закон регулирования.
Уравнение системы регулирования с регулятором, содержащим интегрирующее звено /70/:
d3Ap d2Ap dAp d2f(t) df(t)
dt dt dt dt dt
откуда следует, что статическое отклонение остаточного давления в такой системе
Лрст=0. (12)
На основании исследований /70/ и уравнений (4—12) следует, что:
В вакуумных системах с вакуум-регуляторами, содержащими звенья с сопротивлением перемещению подвижной части регулятора в виде сухого трения, невозможно ликвидировать статическое отклонение остаточного давления.
Замена звена вакуум-регулятора с сухим трением интегрирующим звеном позволяет полностью ликвидировать статическое отклонение остаточного давления в вакуумной системе.
1.3 Анализ результатов исследований динамики работы вакуумных насосов
Исследования, проведенные физиологами, свидетельствуют о том, что процесс машинного доения коров, основанный на принципе разрежения воздуха, отличается от действительного акта сосания теленка и от ручного доения/86, 87, 102, 113/.
Любую доильную установку со всеми ее сосательными аппаратами и приборами надо рассматривать как вакуумную систему, работающую при стационарном течении газа /86, 87/.
Руководствуясь общими положениями вакуумной техники, можно определить давление в системе Рс, необходимое для обеспечения нормальной работы доильных аппаратов, исходя из условия равенства воздушных потоков системы Qc и насоса QH. Если учесть, что давление в системе Рс является заданной величиной и по условиям работы должно оставаться постоянным,
то нормальная работа доильного аппарата возможна только при условии сохранения равенства Qc = Q„ /86, 87/.
На рисунке 1.13 представлена зависимость производительности вакуумного насоса от частоты вращения электродвигателя /86, 87/.
\Т «1 180
х * ч
и, мин'1 Рисунок 1.13 —График зависимости производительности вакуумного ,
насоса от частоты вращения электродвигателя
Если это условие не соблюдается, нормальная работа доильных аппаратов нарушается. Изменение одного члена этого равенства приводит к изменению другого. При увеличении скорости откачки Sc в системе соответственно уменьшается давление Рс и наоборот. Поэтому для обеспечения нормальной работы доильных аппаратов в вакуумную систему включается вакуум-регулятор, способствующий поступлению воздуха из атмосферы.
Как видно из графика (рисунок 1.13) зависимость производительности от частоты вращения вакуум-насоса (этот участок определяется конструктивными особенностями вакуумного насоса) будет оставаться линейной, но только при определенных значениях частоты вращения вакуум-насоса. В случае когда постоянная времени на входе вакуумного насоса будет превышать ее выходную величину - камеры насоса будут не до конца заполнены, а производительность его начнет снижаться. Эти значения частоты вращения достаточно велики. Так, например, вакуумный насос УВУ-60/45 может рабо-
тать на двух частотах вращения: 900 и 1200 мин", обеспечивая при этом про-изводительность 45 и 60 м /ч соответственно.
Все эти доводы, бесспорно, были уместны в условиях низких цен на энергоносители, в то время когда амортизационные отчисления были соизмеримы со стоимостью электроэнергии. В условиях же нынешнего роста ее стоимости - экономия электрической энергии играет огромную роль, а для российских фермеров является одной из ключевых статей сбережения собственного бюджета. Чрезмерное энергопотребление связано, в первую очередь, с тем, что зачастую фермер использует уже изношенное электрооборудование, в частности, вакуумные насосы для доильных установок, которые в определенных случаях являются «дырой» в атмосферу и понижают вакуум в системе, являясь при этом дополнительной электрической нагрузкой. Поэтому возникает необходимость регулирования производительности вакуумного насоса путем изменения частоты его вращения с целью сокращения энергозатрат, т. е. необходимо максимально использовать характеристику (рисунок 1.13) вакуумного насоса.
В связи с этим вопросы поиска новых технических решений в области совершенствования различных типов установок и доильного оборудования, а также сокращения затрат на энергообеспечение, особенно в условиях малых форм хозяйствования, где зачастую приходится только частично использовать ресурс оборудования, а по мере наращивания поголовья — увеличивать его, приобретают большое значение.
1.4 Вакуумные регуляторы
Для контроля технического состояния вакуумной линии в последние годы на фермах используют вакуумные регуляторы разнообразных конструкций.
Основное назначение вакуум-регулятора - поддержание устойчивого рабочего вакуума в доильной установке. Однако некоторые конструкции вакуум-регуляторов выполнены таким образом, что по колебанию груза или благодаря специальному узлу можно контролировать величину рабочего вакуума или количество воздуха, проходящего через вакуум-регулятор.
Рассмотрим основные типы регуляторов вакуума.
Вакуум-регулятор по рисунку 1.14,а состоит из корпуса 1, клапана 2 и
груза 3. При работе насоса на клапан снизу вверх действует сила, возникшая
от разности между атмосферным давлением и вакуумом, создаваемым в тру
бопроводе. Под действием этой силы клапан поднимается и впускает в маги
страль атмосферный воздух. Груз подбирают такой величины, чтобы клапан
срабатывал в тот момент, когда вакуум в трубопроводе достигает рабочей
величины. При уменьшении рабочего вакуума клапан опускается, и в маги
страль поступает небольшое количество воздуха. Если масса груза вакуум-
регулятора больше нормы, то величина рабочего вакуума в магистрали по
вышается; если масса груза меньше нормы - снижается /66/. г
Во время включения доильных аппаратов количество воздуха, проходящего через вакуум-регулятор, уменьшается, так как примерно половина его проходит через доильные аппараты.
Такой регулятор должен стоять точно по уровню. Его следует периодически осматривать и очищать от грязи.
Применяются также и быстродействующие вакуум-регуляторы.
Регулятор конструкции Рижского ГСКБ (рисунок 1.14,6) состоит из корпуса 1 с крышкой, плотно соединенных между собой. В корпус вставлен впускной патрубок 5, имеющий в верхней части клапанное гнездо. На патрубок надета подвижная втулка 4 с трапециидальными окнами для прохождения воздуха. На шайбе втулки закреплен клапан 2 с углом конуса меньше 45, к клапану на стержне - груз 3.
Во время работы установки повышение рабочего вакуума в магистрали приводит к тому, что за счет давления атмосферного воздуха клапан поднимается. Поступающий через клапан воздух проходит в вакуумную магистраль.
а — схема простейшего вакуум-регулятора; б - быстродействующий
вакуум-регулятор; в - трехрежимный вакуум-регулятор;
г — вакуум-регулятор с верхним расположением клапана;
1 — корпус; 2 - клапан; 3 - груз; 4 - подвижная втулка; 5 - впускной
патрубок; 6 - пробка; 7 - диск; 8 - патрубок; 9 - дополнительный груз;
10 - направляющая клапана; 11 - трубка;
I, II, III - верхняя, средняя и нижняя камеры
Рисунок 1.14- Схемы различных вакуум-регуляторов
Благодаря наличию дефлекторной шайбы, а также тому, что угол конуса клапана меньше 45 и окна имеют форму трапеции, при увеличении расхода воздуха местные потери вакуума резко уменьшаются, а при уменьшении расхода - увеличиваются. Это обеспечивает уменьшение колебания вакуума в системе /66/.
Трехрежимный быстродействующий вакуум-регулятор (рисунок 1.14,в) одновременно служит и индикатором величины рабочего вакуума ь-системе доильной установки. Регулятор состоит из трех камер: верхней, свободно сообщающейся с вакуумным трубопроводом, средней и нижней (обе камеры сообщаются с атмосферой). Клапан и диск регулятора смонтированы на одном стержне и разделяют верхнюю, среднюю и нижнюю камеры. Противодействующий груз расположен внизу на стержне. Отношение диаметров диска и клапана - двукратное.
Компенсирующий воздух на всех режимах работы регулятора проходит в систему последовательно через атмосферные отверстия, среднюю камеру и клапан.
При малых изменениях вакуума в системе незначительная скорость воздуха не вызывает заметных падений давления в средней камере. Если же вакуум в системе изменится, и скорость прохождения воздуха по трубопроводу возрастет, то в средней камере давление резко упадет — возникнет разность сил, действующих сверху и снизу на диск, и вызовет быстрый подъем стержня. Стержень оттесняет хвостовик пробки настолько, что образуется круговой зазор между хвостовым отверстием и крышкой. Через этот зазор воздух попадает в полость клапана, а оттуда - в систему.
По колебательным движениям пробки и ее хвостовика можно определить приблизительное значение вакуума в системе 166/.
В регуляторе конструкции СибИМЭ (рисунок 1.14,г) применен клапан золотниково-дроссельного типа с окнами переменного сечения. Этот клапан по сравнению с клапанами тарельчатого типа и усеченного конуса
имеет лучшую характеристику. Груз в регуляторе расположен вверху (клапан расположен над трубопроводом), что исключает попадание в него жидкости во время доения и при промывке системы.
Статическая погрешность этого вакуум-регулятора минимальна, он отличается высокой динамической устойчивостью, прост по устройству и в обслуживании, надежен в работе /66/.
Регулятор состоит из корпуса 1, к которому на резьбе крепят патрубок 8 для соединения регулятора с вакуум-проводом установки и трубку 11. В трубке размещен регулирующий золотниково-дроссельный клапан 2, на верхней его части установлен груз 3 с довесками 9 для настройки различной величины вакуума. В нижней части трубки закреплен воздушный фильтр с сеткой. Устройство закрыто сверху крышкой.
Наиболее ответственная часть регулятора — золотниково-дроссельный клапан. Эта цельнометаллическая деталь снабжена направляющей 10, выполненной в виде полого цилиндра с четырьмя окнами переменного профиля: треугольное сечение - непосредственно у клапана и прямоугольное — на остальной части. Направляющая центрирует клапан в трубке и за счет легкого трения сглаживает возможные колебания вакуума.
Работает регулятор следующим образом. Во время доения непрерывно меняющийся поток воздуха от подключаемых, работающих и отключаемых доильных аппаратов изменяет вакуум в системе и, следовательно, действие их на клапан. При снижении разрежения клапан под действием груза опускается, уменьшая площадь открытого сечения окон. В результате поступление «резервного» воздуха резко сокращается или прекращается совсем и вакуум в системе быстро восстанавливается до заданного значения. Регулятор устойчиво работает при малых и больших расходах воздуха, а также при резко-переменных нагрузках, характерных для многих доильных установок. Так, если регулятор использует в качестве дифференциального и главного вакуум-регуляторов, клапан в основном работает треугольной частью сечения
окон, обеспечивая расход воздуха в пределах от 0 до 20 м3/ч. При большем расходе воздуха (от 30 до 90 м3/ч) в вакуумных регуляторах, устанавливаемых у насоса, действует треугольная и прямоугольная части окна /66/.
На отечественных доильных установках также применяют вакуумные регуляторы с индикаторами для контроля величины подсоса воздуха через вакуум-регулятор (рисунок 1.15).
Груз у такого регулятора подвешен к клапану на пружине 1. На штоке груза установлены две амортизационные шайбы 5, опущенные в масло, залитое в корпус регулятора. Флажок 3 индикатора, на нижнюю часть которого воздействует воздух, проходящий через вакуум-регулятор, показывает количество подсасываемого воздуха. У линейных доильных установок с молоко-проводом оптимальная величина подсоса равна 3...7 м3/ч.
1 - пружина; 2 - индикатор; 3 - флажок индикатора; 4 - регулятор; 5 - шайбы Рисунок 1.15- Вакуум-регулятор в сборе с индикатором
В современных доильных установках смонтированы вакуумметр для определения величины вакуума в системе, а также вакуумный регулятор с индикатором для поддержания в системе нормальной величины рабочего ва-
куума и контроля величины подсоса воздуха в магистральном участке вакуум-провода /65/.
К недостаткам данной системы контроля относятся близкое расположение вакуум-регулятора у вакуумного насоса и небольшие размеры вакуумметров. При большой протяженности вакуумных линий в коровниках и доильных помещениях трудно своевременно реагировать на изменение вакуума в системе.
Характеризуя описанное выше, следует отметить, что, как правило, в приборах, выпускаемых промышленностью для животноводства, не используются индикаторы, сигнализаторы, табло и другие технические средства, информирующие оператора о состоянии животного, доильной установки и всей системы в целом /66/.
В последние годы разработано большое количество разнообразных средств представления информации, на приборных досках современных систем управления сложным оборудованием установлены десятки и сотни индикаторных устройств /66/.
Вакуумный регулятор VSD шведской фирмы De Laval представляет собой регулируемый скоростью привод, который автоматически изменяет скорость насоса для поддержания равномерного заданного уровня вакуума. Это помогает улучшить здоровье вымени коровы, а также снизить энергозатраты на 70% и обеспечить длительный срок эксплуатации насоса. Регулятор вакуума шведской фирмы De Laval представлен на рисунке 1.16,а /117/.
Главным элементом такого вакуумного регулятора является контроллер частотно-регулируемого электропривода (VFDC) (рисунок 1.16,6). Контроллер VFDC (Variable Frequency Drive Controller) представляет собой укомплектованный встроенный микроконтроллер, который может использоваться с автономными приводами или с интегрированными бесступенчатыми электроприводами. Основным его назначением является регулирование работы бесступенчатого привода так, чтобы в каждый момент времени было ус-
тановлено заданное значение параметра. К новым возможностям можно отнести автоматическое регулирование параметров управления и автоматическое включение/выключение двигателя /11II.
а - общий вид регулятора; б - контроллер частотно-регулируемого
электропривода (VFDC) Рисунок 1.16 Вакуумный регулятор VSD шведской фирмы De Laval
Контроллер может быть подключен к бесступенчатому приводу посредством использования электропроводки или быстроразъемных соединителей от изготовителя, либо посредством прокладки проводов специалистом по установке. На нижней стороне контроллера расположены водонепроницаемые соединительные разъемы для выполнения электрических соединений разных типов. Контроллер подает на бесступенчатый привод сигнал регулировки оборотов двигателя в диапазоне от 0 до 10 В постоянного тока и сигнал управления переключением реле /117/.
VFDC состоит из двух основных узлов:
главной монтажной платы с входными и выходными разъемами;
дисплея и клавишного пульта для взаимодействия с контроллером пользователя.
Серворегуляторы VRM 900, VRM 2500 и VRM 4000 (рисунок 1.17а, б) регулируют уровень вакуума путем изменения объема забора воздуха, реаги-
руя на сигнал сенсорного элемента VRS. Пропускная способность таких і куумных регуляторов соответственно 900, 2500 и 4000 л/мин /117/.
а - вакуумный регулятор VRM 900, б - вакуумный регулятор VRM 2500; в - сенсорный элемент VRS Рисунок 1.17- Вакуумные регуляторы и сенсорный элемент
Сенсорный элемент VRS (рисунок 1.17,в) воспринимает существующий уровень вакуума и сравнивает его с заранее заданным значением. По отдельной линии сенсорный элемент посылает контрольный сигнал, который активизирует регулятор VRM или редуктор VRR /117/.
1.5 Цель и задачи исследования
Машинное доение коров занимает одно из центральных мест в общей проблеме механизации и автоматизации молочных ферм.
Нарушение вакуумного режима способствует снижению рефлекса мо-локоотдачи и может вызвать массовые маститные заболевания вымени коров,
приводящие к снижению качества молока, молочной продуктивности и преждевременной выбраковке животных. Поэтому в машинном доении особое значение должно уделяться вакуумному режиму работы доильных аппаратов.
Для поддержания устойчивой работы доильных систем необходимо, чтобы производительность вакуум-насосов устойчиво обеспечивала двух-трехкратно превышающий суммарный расход воздуха всеми аппаратами доильной установки при рабочем вакууме в пределах 48-53 кПа.
При прежней очень низкой стоимости энергоносителей, соизмеримой с амортизационными отчислениями, на первом плане была стоимость силовых агрегатов, и упрощение их конструкции себя оправдывало. В современных условиях эти показатели меняются местами, и обоснование энергосберегающих вакуумных систем становится особенно актуальным.
Попытки обоснования параметров энергосберегающих вакуумных силовых агрегатов предпринимались неоднократно и ранее. Однако вакуумные силовые агрегаты по-прежнему работают при постоянной, обычно номинальной мощности двигателя независимо от полезной нагрузки.
Вакуумные системы доильных установок относятся преимущественно к динамическим линейным системам. Однако их исследование осуществляется обычно статическими методами, что не обеспечивает синтеза вакуумных систем с оптимальными параметрами. Поэтому исследование динамических процессов производства и стабилизации вакуума в доильных системах для оптимизации их параметров методами теории динамических систем, таких, например, как теория систем автоматического регулирования, является актуальным.
Исходя из вышеизложенного целью настоящих исследований является энергосбережение вакуумной системы питания доильных установок с грузовым регулятором путем моделирования динамических процессов и опреде-
ления переходных характеристик для оптимизации параметров и синтеза рациональных структур.
Для достижения намеченной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать процесс работы грузового вакуумного регулятора и разработать его математическую модель.
Разработать модель вакуумной системы питания доильных установок с грузовым регулятором.
Разработать и оценить методику компьютерного эксперимента, определить переходные характеристики регулятора и вакуумной системы питания доильных установок и провести экспериментальные исследования работы вакуумных доильных систем.
Разработать рациональные схемы энергосберегающих вакуумных систем питания доильных установок с грузовым регулятором и определить их экономическую эффективность.
52 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ВАКУУМА В ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ
2.1 Исходные положения и допущения, принимаемые при исследованиях
2.1.1 На основании многочисленных, проведенных ранее во ВНИП-
ТИМЭСХ, исследований динамики вакуумных доильных систем и элементов
/28-35/ установлено, что они все преимущественно линейные. Поэтому ос
новным научным принципом (исходным положением) настоящих исследова
ний является линейность вакуумных доильных систем, т.е. динамические
процессы стабилизации вакуума в доильных системах можно исследовать
классическими методами теории линейных динамических систем, в частно
сти, на основе теории систем автоматического регулирования /110/.
2.1.2 В принципе в исследованиях пневматических элементов и систем,
для вывода дифференциальных уравнений в частности, должна использо
ваться полная система уравнений газовой динамики. Кроме того, к ним необ
ходимо добавить дифференциальные уравнения процессов теплообмена ис
следуемых пневматических элементов. Однако решение такой системы урав
нений представляет собой сложную задачу. Вместе с тем, исследованиями
/28-35/ установлено, что в вакуумной пневмоавтоматике достаточное соот
ветствие с опытом дают расчеты, основанные на принятии ряда упрощающих
допущений промышленной пневмоавтоматики:
Для струй, дросселей и пневматических камер, работающих на низком вакууме, в которых истечение воздуха происходит при малых перепадах давлений, не учитывается влияние на их характеристики изменения плотности воздуха, связанные с изменением давлений, истечение считается преимущественно ламинарным и происходит в докритических режимах.
Считается, что расходные характеристики дросселей в неустановившихся режимах работы такие же, как и в установившихся: принимается, что в том и другом случаях каждой данной разности давлений до и после дросселя
53 соответствует один и тот же расход воздуха (условия квазистационарности течения).
Берутся средние для пневмокамеры величины давлений: считается, что давление не меняется от одной точки камеры к другой.
Вводятся упрощающие допущения в отношении процессов изменения состояния воздуха в камерах (эти процессы зависят от условий теплопередачи через стенки): исследования проводятся лишь для предельных условий, когда процесс состояния воздуха изотермический или адиабатический.
2.1.3 Вакуумная доильная система состоит из двух основных подсистем. Одна из них - вакуумная силовая установка - обеспечивает отсос необходимого объема воздуха G из вакуумной системы при определенной глубине вакуума Р. Для работы доильных аппаратов, других исполнительных органов, вакуумных средств управления и технологического оборудования система должна обеспечить стабильно номинальную величину вакуума р < р, распределить и передать его к потребителю на определенное расстояние. Эти функции выполняет вторая ее часть, включающая вакуум-провод, вакуум-баллон, вакуум-регулятор, вакуумметры, шланги, краны и доильные аппараты.
Пневматическая схема подсистемы стабилизации и распределения вакуума на доильной установке представлена на рисунке 2.1.
Условия равновесия работы системы
G = G6=G0+G1+G2+... + G„
где G - производительность вакуум-насоса; Gq - расход воздуха через вакуум-баллон; Gh G2, ... Gn- расход воздуха через доильные аппараты; Go - расход воздуха через вакуум-регулятор. Или
G = G0+±Gn (13)
a
ш р,И<р2|-7(р»И<
G, Л G2 Д G„ Л
Рисунок 2.1 - Общая пневматическая схема подсистемы стабилизации и распределения вакуума на доильной установке
При отсутствии нагрузки (доильные аппараты отключены) G = G0.
Для нормальной устойчивой работы доильных аппаратов в машинном доении принимают 3-х кратный расход воздуха всеми доильными аппаратами /70/
G = 3^Gn
(14)
Так как подсос воздуха через вакуум-регулятор должен быть равным суммарному расходу воздуха через доильные аппараты, принимаем
&тах = &0max ~^2-і^п
(15)
Таким образом, максимальные производительность вакуум-насоса и пропускная способность вакуум-регулятора должны обеспечивать стабильный вакуум в вакуумной системе с расходом в 3 раза превышающим суммарный расход воздуха всеми аппаратами доильной установки.
Для исследования процессов стабилизации вакуума в доильных системах классическими методами теории систем автоматического регулирования и последующего синтеза энергосберегающего варианта системы /52, 53, 55/ необходимо, прежде всего, определить передаточные функции всех ее звеньев.
55 2.2 Передаточные функции основных звеньев вакуумной системы 2.2.1 Для электродвигателя закон равновесия моментов на его валу описывается уравнением /81/
J^- = MB-Mr, (16)
где J и со - приведенный момент инерции и угловая скорость электродвигателя соответственно; Мв - вращающий момент двигателя; Мт — тормозной момент внешних сил (момент нагрузки).
В соответствии с уравнением (16) передаточная функция электродвигателя имеет вид апериодического звена первого порядка
Wm(s) = -^—, (17)'
где Ті -постоянная времени электродвигателя, с
T = J-^-, (18)
К,
М„ здесь —- - отношение пускового момента к скорости холостого хода;
* ki - коэффициент усиления электродвигателя
м„
где км - коэффициент пропорциональности между управляющим воздействием и установившимся вращающим моментом. Передаточную функцию вакуумного насоса можно определить из его характеристики (рисунок 1.13), согласно которой производительность насоса пропорциональна его угловой скорости. Производительность насоса определяется по формуле /109/
G = k-g), (20)
где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных особенностей вакуумного насоса; со - частота вращения ротора вакуумного насоса.
Если принять за входную величину частоту вращения ротора вакуум-насоса со, совпадающую с частотой вращения ротора ЭД, а за выходную -производительность G, то передаточная функция данного элемента примет вид
WH(s) = k2 (21)
здесь Кг - коэффициент усиления вакуумного насоса, о.е.,
то есть он является линейным безынерционным усилительным звеном.
2.2.2 Общий вид современного отечественного вакуум-регулятора с масляным демпфером и индикатором представлен на рисунке 1.15, а его расчетная схема - на рисунке 2.2 /47, 51, 56/.
G„
~ * ^*
Хто, Хо
Рисунок 2.2 — Расчетная схема вакуум-регулятора с масляным демпфером
Прежде всего, необходимо составить в общем виде дифференциальное уравнение клапана (заслонки) вакуум-регулятора с пружиной, грузом (массой т) и демпфером, если за входную величину принять величину вакуума Р в вакуумной системе, а за выходную величину - перемещение заслонки х и считать известными приведенные к точке А силы вакуума системы, действующего на заслонку F3, уравновешиваемой силами пружины Fn и инерционными Fu.
57 Выберем начало отсчета как показано на рисунке и составим уравнение равновесия сил, приведенных к точке А, в общем виде:
F3=Fu+Fd+Fn,K, (22)
где Fu - инерционная сила, пропорциональная ускорению а и приведенной массе подвижных частей т (грузу)
Fu=ma,U, (23)
здесь m - масса подвижных частей, кг; а - ускорение, м/с2; Fd - сила демпфера, пропорциональная скорости и и коэффициенту демпфирования с/
Fd = c,v , Н, (24)
где v - скорость, м/с;
Сі — коэффициент демпфирования, кг/с;
Fn - сила пружины, пропорциональная перемещению х и коэффициенту упруГОСТИ ИЛИ ЖеСТКОСТИ ПруЖИНЫ С2
Fn=c2x,H, (25)
где С2 — жесткость пружины, Н/м; х - перемещение пружины, м. Подставив полученные значения в выражение (22), уравнение равновесия сил, приложенных к клапану примет вид:
d2x dx dt2 ' dt
К=т^і- + Сі — + С2х> (26)
здесь F3 - сила, действующая на заслонку вакуум-регулятора, зависящая от площади сопла So и величины вакуума Рн в системе
F, = РЛ; (27)
где So — площадь сопла, м2;
Рн — величина вакуума в системе, кПа. С учетом вышеизложенного, формула (26) примет следующий вид:
т1Р'+ ' It + 2Х = P"S' ^28^
Анализ результатов исследований по стабилизации вакуумного режима на доильных установках
Изучению динамики вакуумных элементов и систем, средств производства и стабилизации вакуума в машинном доении посвящены работы Н.М. Антроповского, Е.В. Беновой, Р.Э. Бинеева, И.Д. Богдана, А.С. Веприцкого, И.К. Винникова, И.Е. Волкова, О.Б. Забродиной, Л.П. Карташова, Б.А. Кар-ташова, В.В. Кирсанова, В.Т. Козлова, В.Ф. Королева, В.А. Королева, И.Н. Краснова, Н.И. Мжельского, A.M. Мисирова, B.C. Мкртумяна, А.И. Оберем-ченко, В.А. Петровского, В.П. Похваленского, А.Я. Салманина, А.Г. Серебрякова, П.В. Сидоренко, В.А. Стремина, Ф.Г. Стукалина, И.А. Хозяева, Ю.А. Цоя, Н.А. Яковенко и других.
Многочисленные исследования профессора И.Н. Краснова /74-78/ посвящены изучению аппаратов выжимающего действия, определению влияния различных параметров исполнительных органов доильного аппарата на мо-локоотдачу, вопросы теории исполнительных органов, взаимодействия сосковой резины с сосками вымени коровы, а также вопросы промывки молоко-провода.
Профессор И.А. Хозяев /19, 106/ исследовал биотехническую систему «человек - машина - животное» и разработал научные основы надежности функционирования системы ЧМЖ. Развитые им теоретические положения и практические результаты позволили определить направления системных исследований, одним из которых является разработка передаточных функций биологических объектов системы.
Теоретическое и экспериментальное обоснование биотехнической системы автоматизированного управления доением выполнила канд. техн. наук О.Б. Забродина /60, 61/. Она разработала математические модели биологической системы управления процессами молокообразования, молокоотдачи и процесса доения коров, а также алгоритм функционирования системы.
Существуют различные способы регулирования параметров доильного аппарата в зависимости от скорости молокоотдачи. Как правило, они базируются на основе изменения частоты пульсаций, соотношения тактов или вакуумного режима, а иногда на комплексном регулировании двух и более параметров. Большинство исследователей считают изменение вакуума под соском в зависимости от скорости молокоотдачи основным способом эффективной защиты соска от его действия.
При этом центральной задачей является выбор регулятора вакуума, который бы поддерживал заданный закон регулирования. Анализ проведенных исследований показал, что, в основном, применяют два типа регуляторов: дискретного и непрерывного действия. К первому можно отнести устройство фирмы "De-Laval", применяемое в доильном аппарате "Duovac 300". Ко второму принадлежат синхронные регуляторы, обеспечивающие пропорциональное изменение вакуума в зависимости от скорости молокоотдачи. Они предпочтительнее, так как позволяют адекватно реагировать на изменение параметра задолго до прекращения истечения молока и способствуют оптимальному режиму доения. Кроме того, снижение вакуума уменьшает силу наползания доильных стаканов и улучшает выдаивание коров. Так, В.И. Ломакин считает, что вакуум в подсосковых камерах необходимо изменять от Нт[П до Нтах линейно в пределах 33...50 кПа в функции скорости молокоотдачи. Вместе с тем, последняя зависит от величины вакуума, то есть Im = f (Рвак), поэтому регулятор должен иметь определенный диапазон регулирования, в котором вакуум поддерживается на постоянном максимальном значении, а, начиная с некоторого (критического), происходило бы его синхронное понижение. Иными словами, для участка с интенсивной (постоянной) молокоот-дачей устанавливается постоянное максимальное значение вакуума, а для начального и конечного периодов доения желательно синхронное регулирование от Нтах до Hmjn. ЭТО ПОЗВОЛИТ стабилизировать процесс доения, поскольку при непрерывном регулировании может происходить необоснованное "рыскание" вакуумного режима, влияющее на процесс молокоотдачи.
Предлагаемый В.В. Кирсановым /67/ способ (рисунок 1.1) регулирования вакуума в подсосковом пространстве доильного аппарата обеспечивает оптимальный режим доения и снижает до минимума опасность травмирования молочной железы коровы.
Согласно его исследованиям полученные основные характеристики регулятора позволяют решить задачи синтеза его структурной и технологической схемы.
При изыскании путей и способов стабилизации вакуумного режима основное внимание обычно уделяют технической стороне проблемы: обоснованию необходимой производительности насоса, выбору оптимальной пропускной способности молочно-вакуумных коммуникаций, разработке более совершенных вакуумных регуляторов /67/. Между тем огромный резерв в решении проблемы находится в руках операторов машинного доения.
Передаточные функции основных звеньев вакуумной системы
На основании многочисленных, проведенных ранее во ВНИП ТИМЭСХ, исследований динамики вакуумных доильных систем и элементов /28-35/ установлено, что они все преимущественно линейные. Поэтому ос новным научным принципом (исходным положением) настоящих исследова ний является линейность вакуумных доильных систем, т.е. динамические процессы стабилизации вакуума в доильных системах можно исследовать классическими методами теории линейных динамических систем, в частно сти, на основе теории систем автоматического регулирования /110/. В принципе в исследованиях пневматических элементов и систем, для вывода дифференциальных уравнений в частности, должна использо ваться полная система уравнений газовой динамики. Кроме того, к ним необ ходимо добавить дифференциальные уравнения процессов теплообмена ис следуемых пневматических элементов. Однако решение такой системы урав нений представляет собой сложную задачу. Вместе с тем, исследованиями /28-35/ установлено, что в вакуумной пневмоавтоматике достаточное соот ветствие с опытом дают расчеты, основанные на принятии ряда упрощающих допущений промышленной пневмоавтоматики: 1. Для струй, дросселей и пневматических камер, работающих на низком вакууме, в которых истечение воздуха происходит при малых перепадах давлений, не учитывается влияние на их характеристики изменения плотности воздуха, связанные с изменением давлений, истечение считается преимущественно ламинарным и происходит в докритических режимах. 2. Считается, что расходные характеристики дросселей в неустановившихся режимах работы такие же, как и в установившихся: принимается, что в том и другом случаях каждой данной разности давлений до и после дросселя соответствует один и тот же расход воздуха (условия квазистационарности течения). 3. Берутся средние для пневмокамеры величины давлений: считается, что давление не меняется от одной точки камеры к другой. 4. Вводятся упрощающие допущения в отношении процессов изменения состояния воздуха в камерах (эти процессы зависят от условий теплопередачи через стенки): исследования проводятся лишь для предельных условий, когда процесс состояния воздуха изотермический или адиабатический. Вакуумная доильная система состоит из двух основных подсистем. Одна из них - вакуумная силовая установка - обеспечивает отсос необходимого объема воздуха G из вакуумной системы при определенной глубине вакуума Р. Для работы доильных аппаратов, других исполнительных органов, вакуумных средств управления и технологического оборудования система должна обеспечить стабильно номинальную величину вакуума р р, распределить и передать его к потребителю на определенное расстояние. Эти функции выполняет вторая ее часть, включающая вакуум-провод, вакуум-баллон, вакуум-регулятор, вакуумметры, шланги, краны и доильные аппараты. Пневматическая схема подсистемы стабилизации и распределения вакуума на доильной установке представлена на рисунке 2.1. Таким образом, максимальные производительность вакуум-насоса и пропускная способность вакуум-регулятора должны обеспечивать стабильный вакуум в вакуумной системе с расходом в 3 раза превышающим суммарный расход воздуха всеми аппаратами доильной установки. Для исследования процессов стабилизации вакуума в доильных системах классическими методами теории систем автоматического регулирования и последующего синтеза энергосберегающего варианта системы /52, 53, 55/ необходимо, прежде всего, определить передаточные функции всех ее звеньев. 2.2 Передаточные функции основных звеньев вакуумной системы 2.2.1 Для электродвигателя закон равновесия моментов на его валу описывается уравнением /81/ где J и со - приведенный момент инерции и угловая скорость электродвигателя соответственно; Мв - вращающий момент двигателя; Мт — тормозной момент внешних сил (момент нагрузки).
Установки и приборы для экспериментальных исследований
Опыт работы и многочисленные исследования /12, 14, 69, 89/ показали, что работа пневматических средств управления процессом доения в меньшей степени подвержена влиянию вредных условий рабочей среды, чем средств электроники. Кроме того, они не требуют дополнительного источника питания, соблюдения определенных требований к степени защиты от воздействия окружающей среды, и, что не менее важно, просты по конструкции и надежны в работе. Анализу и разработке пневматических средств автоматизации доения посвящены работы Л.А. Залманзона, Т.К. Берендс, И.К. Винникова, О.Б. Забродиной и других ученых /12, 14, 44-57, 60, 61, 62, 65 /.
Учитывая вышеизложенное, элементы пневмоавтоматики должны рассматриваться в качестве основных средств управления доением, в том числе управления вакуумным режимом работы доильных установок. Характеристики одиночных струй и элементов «сопло - приемный канал» промышленной пневмоавтоматики на сжатом воздухе хорошо изучены и изложены Л.А. Залманзоном в книге «Теория элементов пневмоники» /62/. Упрощенная схема свободной турбулентной струи сжатого воздуха, истекающей в атмосферу, представлена на рисунке 2.6 /62/.
В начале струи имеется ядро длиной hH с постоянной скоростью (конус Ьсё), в котором скорость частиц равна их скорости на выходе vH из сопла. Остальную часть сечения bkle занимает пограничный слой. На основном участке струи при h hH пограничный слой в атмосфере занимает все сечение, и скорость на оси струи уменьшается с увеличением h. Уменьшение скорости частиц обусловлено увеличением массы струи вследствие вовлечения в нее воздуха из окружающей среды /62/.
В струйных элементах используется ограниченная область струи bee, примыкающая к соплу, что позволяет применять упрощенную схему струи, показанную на рисунке 2.6. Граница этого участка определяется тем, что до значения h=h„ скорость на оси струи voc равна скорости в выходном сечении сопла vH, а при h hH скорость voc изменяется, уменьшаясь с увеличением h. Процесс происходит при постоянном количестве движения, т.е. струя сжатого воздуха до полной ее остановки свое количество движения передает окружающему ее атмосферному воздуху, приводя его в движение. Совершенно другая картина происходит при движении струи в вакууме. Движение струи в вакууме не исследовано, хотя вакуумные струйные датчики в доении наиболее перспективны.В вакууме струя получает скорость за счет разности давлений атмосферного воздуха и пониженного давления в вакууммированном пространстве, куда входит атмосферный воздух. В начальный момент, при малых перепадах давлений, струи, примыкающие к соплу, имеют цилиндрические уча- стки, т.е. мало турбулизированы. С ростом перепада давления турбулизация вакуумных струй, в отличие от сжатого воздуха, снижается благодаря разрежению среды куда входит струя. Если струя атмосферного воздуха впускается через круглое и длинное сопло, у которого h/d 5, в сосуд, находящийся под высоким вакуумом, она не встретит сопротивления воздуха и сохранит свою цилиндричность на значительно большем расстоянии от сопла. Поэтому для расчета скоростного напора вакуумных струй можно пользоваться уравнением /62/:Как было установлено, для рассматриваемого случая работы элементов в вакууме выражения (94) и (95) справедливы и за пределами указанных ограничений.
В качестве обратной связи управления величиной вакуума в доильной системе может использоваться струйно-сильфонное вакуумное управ- ляющее устройство, выполненное в виде сильфона с формирователем сигналов и струйного элемента.
Сильфон представляет собой гофрированный семяпровод, выполненный в виде тонкостенных труб, боковая поверхность которых имеет глубокие параллельные волны (гофры). Под действием внешнего и внутреннего перепадов давления длина гофрированной трубы способна увеличиваться или уменьшаться в зависимости от направления приложенной силы. В зависимости от назначения гофрированные трубы изготавливаются глухими или со свободными концами из различных материалов: бронзы различных марок, углеродистой или нержавеющей стали, полутомпака, алюминиевых сплавов, пластмасс, резины и др.
Статические и динамические характеристики основных элементов вакуумных доильных систем
Как видно из графиков, чем меньше масса груза вакуумного регулятора т, тем большее количество воздуха впускается в вакуумную линию, а постоянная времени Т при этом растет. При увеличении жесткости пружины наблюдается обратная картина: количество воздуха и постоянная времени Т уменьшаются. Вместе с тем уменьшается и коэффициент усиления вакуумного регулятора к, который, в свою очередь, увеличивается при увеличении площади клапана S. Коэффициент рассеивания энергии є оказывает значительное влияние на устойчивость системы вакуумного регулятора. Так с увеличением є система быстрее переходит в установившийся режим, при этом сводя к минимуму количество колебаний и их амплитуду.
Натурный эксперимент проводился при следующих параметрах вакуумной системы: масса груза вакуум-регулятора wrp=i,3 кг, вакуум питающей линии Р=55 кПа, длина линии 1=10 м, жесткость пружины вакуум-регулятора с2=0,5 Н/м, коэффициент демпфирования вакуум-регулятора є=0,2. Вакуумный регулятор был установлен перед вакуумным баллоном (рисунок 4.8,а).
Некоторые результаты экспериментальных исследований динамики работы вакуумной системы питания доильных установок приведены в приложении 1. На основании полученных данных и компьютерного эксперимента построены совмещенные графики для случая, когда вакуумный регулятор установлен перед вакуумным баллоном, приведенные на рисунке 4.14. Анализ устойчивости и качества вакуумной системы питания доильных установок проводился согласно п. 3.1.1. Система устойчива во всех вариантах ее исполнения, за исключением того, когда вакуумный регулятор был установлен перед вакуумным баллоном при коэффициенте рассеивания энергии є = О (расходящийся график переходного процесса рисунок 4.4,а). Однако, в реальных условиях достичь таких показателей практически невозможно ввиду существования мизерных сил трения в вакуумном регуляторе. Поэтому данный случай далее не принимается во внимание. Анализ результатов моделирования (рисунок 4.14) при различных значениях параметров показал их высокую сходимость с данными экспериментальных исследований (приложение 1). Это подтверждает адекватность ч структурной модели исследуемой вакуумной системы питания доильных установок, и дает основание, наряду с лабораторными исследованиями, на её основе проводить компьютерные эксперименты по динамике вакуумных доильных систем в тех случаях, когда натурный эксперимент провести невозможно. Для определения достоверности расчетных значений математической модели используем наиболее простой критерий Пирсона /64, 68, 72/. Для этой цели необходимо составить листинг программы для Mathcad (приложение 2). Учитывая инерционность системы оценку по критерию Пирсона про- " ведем для пиковых точек (рисунок 4.14). Так как % меньше табличного значения (неравенство равно единице), поэтому между сравниваемыми распределениями не существенно, а отклонения носят случайный характер. 1. Разработанные методика и модель вакуумной системы питания с электроприводом и грузовым вакуум-регулятором позволяют с помощью обобщенных параметров, таких как постоянная времени Т, коэффициент усиления к и коэффициент рассеивания энергии е, определять рабочие параметры системы в любой момент времени по ее переходным характеристикам. При этом расхождение экспериментальных данных с теоретическими не превышает 5 %, что подтверждает адекватность структурной модели и дает основание, наряду с лабораторными исследованиями, на ее основе проводить компьютерные эксперименты по динамике вакуумных доильных систем в тех случаях, когда натурный эксперимент провести невозможно. 2. Анализ результатов компьютерного моделирования при различных значениях параметров показал их высокую сходимость с данными натурных экспериментальных исследований: установившееся статическое отклонение АРст=1,2 кПа; время регулирования tp=4,5 с; перерегулирование (Т=5,9 %; количество перерегулирований л=3; логарифмический декремент затухания d=0,92. 3. Сравнение результатов лабораторных исследований движения струй под одинаковым перепадом давлений в атмосфере и в вакууме позволяют за ключить, что при попадании струи воздуха в вакуум цилиндричность ее со храняется на порядок большем удалении от сопла, чем в атмосфере, что по зволяет с большей уверенностью использовать теорию струй идеальных га зов применительно к струйным датчикам в вакуумных доильных системах.
