Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Технология машинного доения и физиологические особенности процесса молокоотдачи у коров 11
1.2 Обзор исследований длительности переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов 22
1.3 Основные направления совершенствования доильных аппаратов с
варьированием длительности переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов 32
1.4 Пульсаторы доильных аппаратов и их классификация 37
Цель и задачи исследования 46
2 Теоретические исследования доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя 48
2.1 Описание конструкции и процесса работы усовершенствованного доильного аппарата 48
2.2 Обоснование конструктивных параметров клапанного механизма пульсатора доильного аппарата 55
2.3 Пропускная способность пневмолиний доильного аппарата 64
2.4 Циклограмма процесса работы доильного аппарата 73
Выводы 84
3 Исследование электропривода пульсатора усовершенствованного доильного аппарата 86
3.1 Обоснование конструкции и режима работы электропривода на основе линейного двигателя 86
3.2 Статика электромеханических процессов в линейном двигателе 90
3.3 Динамические режимы работы линейного двигателя 103
Выводы 108
4 Программа и методика экспериментальных исследований доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя 109
4.1 Приборы и общая методика эксперимента 109
4.2 Описание схемы блока управления работой доильного аппарата 111
4.3 Методика определения длительности переходных процессов и получения осциллограмм изменения давления в межстенных камерах доильных стаканов 115
4.4 Методика построения электромеханической характеристики линейного двигателя 118
5 Результаты экспериментальных исследований усовершенствованного доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя 122
5.1 Длительность переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов 122
5.2 Электромеханическая характеристика линейного двигателя 127
5.3 Математическая обработка результатов эксперимента 129 Выводы 133
6 Экономическая эффективность результатов исследования усовершенствованного доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя 134
6.1 Сравнительный анализ электропульсатора на основе линейного двигателя с существующими аналогами 134
6.2 Технико-экономическая оценка применения усовершенствованного доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя 139
Выводы 146
Общие выводы и предложения 147
Список литературы 149
Приложения 169
- Технология машинного доения и физиологические особенности процесса молокоотдачи у коров
- Описание конструкции и процесса работы усовершенствованного доильного аппарата
- Обоснование конструкции и режима работы электропривода на основе линейного двигателя
- Приборы и общая методика эксперимента
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно Концепции социально-экономического развития РФ к 2020 году планируется увеличить производство молока на 27 %. Однако применение доильных аппаратов с существующим режимом работы снижает продуктивность коров, вызывает обратный ток молока, появление трещин и гиперемические явления в тканях вымени. Перечисленные осложнения провоцируют возникновение стрессов у коров и приводят к маститным заболеваниям. Это происходит из-за непродолжительности переходных процессов от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов. Таким образом, доильные аппараты не в полной мере соответствуют физиологическим особенностям процесса молокоотдачи, что делает актуальным дальнейшее усовершенствование принципа работы доильного аппарата и конструкции его исполнительных органов. Наиболее перспективным направлением усовершенствования доильного аппарата является увеличение длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов. Это позволит уменьшить негативное влияние доильного аппарата на организм животных, повысить их продуктивность и снизить выбраковку заболевших коров.
Целью исследования является увеличение продуктивности коров путем создания режима машинного доения, соответствующего физиологическим особенностям процесса молокоотдачи, за счет обоснования конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с электропульсатором на основе регулируемого линейного электропривода.
Объектом исследования является технология машинного доения коров при использовании доильного аппарата с линейным электроприводом клапанного механизма электропульсатора.
Предмет исследования: закономерности функционирования пульсатора с линейным электроприводом.
Методика исследования включает анализ технологии машинного доения и выявление направлений усовершенствования принципа работы доильных аппаратов, методы физического и математического моделирования, исследования операций и математической обработки результатов экспериментов, оценку адекватности и достоверности полученных данных, определение экономической эффективности внедрения предлагаемой разработки.
Положения, выносимые на защиту:
режим машинного доения и конструкция усовершенствованного доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя, позволяющего регулировать длительность переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов;
методика расчета параметров клапанного механизма и диаметра атмосферного канала электропульсатора с управляемой длительностью переходных процессов;
закономерности изменения длительности переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов при их регулировании разработанным электропульсатором;
результаты расчета магнитной системы и силы на якоре линейного двигателя электропульсатора усовершенствованного доильного аппарата;
математическая зависимость длительности переключения якоря линейного двигателя.
Научная новизна работы:
конструктивно-режимные параметры доильного аппарата с регулированием длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов;
конструкция электропульсатора на основе линейного двигателя, позволяющего регулировать длительность переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов;
функциональные зависимости между диаметром атмосферного канала электропульсатора и конфигурацией клапанного механизма, длительностью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов и перемещением конусного клапана электропульсатора, а также создаваемой силой на якоре линейного двигателя от геометрических размеров его магнитной системы;
математическая зависимость на основе уравнения баланса напряжений для одновременной работы двух намагничивающих катушек линейного двигателя, позволяющая определить длительность переключения якоря в момент перехода от такта сосания к такту сжатия.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования позволяют усовершенствовать процесс машинного доения коров путем разработки доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя новой конструкции (патент РФ на изобретение № 2370874) для привода клапанного механизма с управляемой динамикой перемещения якоря (патенты РФ на полезную модель № 79236, 95222, положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010126114). А также могут быть использованы в проектных организациях при реконструкции ферм по производству молока, в конструкторских бюро, занимающихся разработкой и проектированием доильного оборудования, в научно-исследовательских и учебных учреждениях.
Результаты исследований внедрены в СПК «Московский» Изобильненско-го района Ставропольского края при реконструкции молочно-тоВарной фермы на 200 коров. Проведены НИОКР по теме «Разработка электропульсатора доильного аппарата» в соответствии с государственным контрактом с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 7355р/10197 от 29 декабря 2009 года и № 8715р/13144 от 14 января 2011 г.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на IV и V Российских научно-практических конференциях «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2007 и 2009 гг.), на 72-й, 73-й, 74-й научно-практических конференциях «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2008-2010 гг.), на «Круглом столе» по теме «Сотрудничество в области продвижения технологических и инновационных ресурсов Ставропольского края на предприятиях Новгородской области» в составе официальной делегации Ставропольского края (Великий Новгород, 2009 г), на Всероссийском смотре-конкурсе на лучшую научную работу среди студентов и молодых ученых аграрных вузов России в Азово-Черноморской ГАА (Зерноград, 2009 г.), на конференции, проводимой Российским государственным университетом инновационных технологий и предпринимательства (Москва,
г.), на научно-практических конференциях Кубанского ГАУ (Краснодар,
г) и Азово-Черноморской ГАА (Зерноград, 2011 г.). Разработка демонстрировалась на выставках: IX и X «Московский международный салон инноваций и инвестиций» (Москва, 2009 и 2010 гг.), «Инновации года» (Ставрополь, 2009 г.), 4
«Карьера 26» (Ставрополь, 2010 г.). Результаты исследований отмечены дипломом конкурса «Русские инновации» (Москва, 2009 г.), почетной грамотой за победу в V Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва, 2009 г), серебряной медалью X Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2010 г.), дипломом победителя Всероссийского конкурса инновационных идей научной молодежи (Москва, 2011 г).
Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, из них 3 в журналах из перечня ВАК, 2 патента на изобретения и 2 патента на полезные модели.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и предложений, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 168 страницах печатного текста. Содержит 55 рисунков и 6 таблиц.
Технология машинного доения и физиологические особенности процесса молокоотдачи у коров
Технология машинного доения основывается на применении доильного аппарата, который содержит подвесную часть, пульсатор, вакуумную установку и молокоприемник. Подвесная часть на всех доильных аппаратах имеет идентичное устройство и состоит из четырех доильных стаканов, коллектора, молочных и вакуумных шлангов. Вакуумная установка и молокоприемник видоизменяются в зависимости от технологической схемы машинного доения, которая экономически обосновывается на этапах строительства или реконструкции молочно-товарных ферм в зависимости от объемов производства молока и количества коров в стаде. На крупных фермах и комплексах по производству молока технологическая схема машинного доения зависит от системы и способа содержания коров [81]. В скотоводстве для крупного рогатого скота молочных и комбинированных пород используется стойловая (беспастбищная) и стойлово-пастбищная системы с привязным и беспривязным способами содержания [108]. Оснащенность молочно-товарных ферм и комплексов различными видами доильного оборудования распределяется в следующем соотношении [62]: - установки с молокопроводом - 81,9 %; - ведерные установки - 14,5 %; - установки для доения в доильных залах - 3,4 %\ - ручное доение - 0,2 %. Более совершенна в этом плане технология со стойловым молокопроводом, позволяющая значительно повысить производительность труда дояров и качество молока. Технологии доения с переносными ведрами и со стойловым молокопроводом используются при привязном содержании коров.
Перспективным способом является беспривязное содержание, при котором используются установки с параллельно-проходными станками, типа «Тандем», «Елочка», «Полигон» и «Карусель».
Установки с параллельно-проходными станками обеспечивают бесперебойное и эффективное доение животных. Коровы в них располагаются параллельно друг другу. Установки данного типа обладают; высокой производительностью ю надежностью в эксплуатации. В зависимости от количества доильных мест возможно одновременное доение от 8 до 100 животных.
В установках типа «Тандем» животные доятся независимо друг от друга. Время доения каждого животного не влияет на производительность доильного зала в целом.
Доильные установки типа «Елочка» представляют собой надежную и эффективную конструкцию, в которой коровы располагаются под углом по обе стороны доильной ямы. Установки данного типа сочетают в себе современные технологии, однако их эксплуатация требует предварительного формирования коров в группы по их продуктивности и времени доения. В зависимости от количества доильных мест устанавливается от 8 до 40 доильных аппаратов.
Доильные установки типа «Полигон» представляют собой четыре ряда стойл типа «Елочка», расположенных в форме ромба с возможностью отдельного выхода каждого ряда.
Установки типа «Карусель» отличаются высокой производительностью и применяются для доения животных на крупных фермах и комплексах. Коровы в них располагаются на круглой платформе параллельно друг другу. За один оборот платформы выдаиваются от 36 до 76 коров, соответственно используется от 36 до 76 доильных аппаратов.
Промышленностью выпускается и ряд других доильных установок, соответствующих указанным технологиям доения. Практически все производители доильной техники предлагают различные модификации установок для крупных ферм и комплексов по производству молока.
В последнее время в мире все большее распространение получают доильные роботы (рисунок 1.4). В 2008 году в Германии половина проданных доильных установок пришлась на роботы, в Дании и Швеции - 60 %, в Финляндии - 80%. Всего в мире насчитывается около 10 тысяч доильных роботов [148]. В России первый доильный робот был установлен в колхозе «Племзавод Родина» (Вологодская область) в 2007 году, а в течение 2009 года их было продано 20 штук [83]. По сравнению с Западными странами это небольшое количество, но наблюдается тенденция распространения установок данного типа. По прогнозам к 2025 году роботы будут доминировать на фермах с поголовьем от 50 до 250 коров [136]. Доильные работы размещаются непосредственно в стойловом помещении и представляют собой пневмогидравлическую установку, оснащенную лазерным: сканером, сенсорными датчиками и системой; контроля качества молока (рисунок 1.5). Как только1 лазерный сканер обнаруживает, что корова вошла в доильный бокс, манипулятор надевает доильные стаканы на вымя коровы. Происходит преддоильная стимуляция струйками теплой воды;. поступающими из? доильных стаканов; в течение 15-20 секунд. Автоматизированная система1 ы процессе доениям измеряет количество полученного молока, и выпускает корову из бокса ;толькоз после того;, как будет зафиксировано;; что молоко из: вымени полностью:; выдоилось.. Єйстема управления? доильным роботом- связана- с компьютером;, где: регистрируются: сведения; о каждой: корове (скорость, молокоотдачщ количество выдоенного молока; состояние здоровья; и др.);; В процессе- доения также: измеряется электропроводность молока для оценкиша мастит. Если корова:больна; молоко автоматически направляется в резервную емкость [62]; . Применение доильных роботов: наиболее: оптимально при переходе на беспривязное содержание в коровниках на; 200 голов: В; хозяйствах, которые перешлшнашспользованиещоильных:робЬтов удо№увеличиваются»;на 5-15 %. Среди недостатков доильных роботов: можно: отметить, их высокую стоимость, которая» соизмерима! с: затратами на строительство; доильных залов [137] и длительный :срок: окупаемости; наличие,периода адаптации коров к. роботу, несовершенность системы надевания- доильных стаканов, продолжительные процессы;переключения:при смене операций- небольшая до 70 гол/час) производительность, что не соответствует потребностям крупных хозяйств; необходимость постоянного- высококвалифицированного обслуживания. На производстве доильных роботов специализируются следующие фирмы: «Lely» и «Insentec» (Нидерланды), «DeLaval» (Швеция); «Westfalia-Surge», «Lemmer Fullwood GmbH» и «Impulsa» (Германия): По лицензии «Lely» доильные роботы выпускает ООО «Биоком технология» (Республика Беларусь), а по лицензии «DeLaval» - ОАО «Кировский завод» (г. Санкт-Петербург).
Несмотря на все разнообразие технологических схем машинного доения, доильные аппараты, применяемые в них, одинаково воздействуют на организм животных, и от этого воздействия зависит эффективность процесса машинного доения и здоровье животных. Проведенный Р. С. Куспаковым анализ показывает, что при работе доильного аппарата осуществляется жесткий режим доения, то есть с резкими переходными процессами от такта сосания- к такту сжатия. Резкие переходные процессы сильно тормозят рефлекс молокоотдачи, что приводит к снижению продуктивности коров и заболеваниям вымени [73].
Переходные процессы от такта сосания к такту сжатия подробно изучены Е. В. Шевцовой. Она отмечает, что сплющивание сосковой резины, деформирование и раскрытие канала сфинктера соска, приводит к травмированию его внутренних полостей. Причина этого заключается в характере работы сосковой резины, которая представляет собой тонкостенную гибкую цилиндрическую оболочку. В результате радиального сжатия при резком увеличении давления она теряет устойчивость формы окружности, происходит ее «излом» с образованием эллипса [Л 42] .
Описание конструкции и процесса работы усовершенствованного доильного аппарата
Усовершенствованный узел доильного аппарата — это пульсатор (рисунок 2.2), отличительной особенностью которого является наличие в корпусе линейного двигателя новой конструкции, обеспечивающего привод клапанного механизма. Внутри верхней части корпуса 1 пульсатора расположена перегородка 2 с отверстием 3, разделяющая камеры 4 постоянного вакуума и 5 переменного вакуума. Через отверстие 3 проходит шток 6, на котором1 перпендикулярно закреплен якорь 7 линейного двигателя. Якорь 7 представляет собой сборную деталь из двух магнитопроводящих дисков 8 и немагнитной прослойки 9; расположенную между магнитопроводами 10 с намагничивающими катушками 11 и 12. Выводы 13 катушек L1 и 12 через кабельный ввод 14 подключаются к блоку управления. На штоке 6 закреплен клапанный механизм пульсатора, который , состоит из конусного 15 и тарельчатого 16 клапанов. Конусный клапан 15 жестко закреплен на конце штока 6, а тарельчатый клапан 16 — на скользящей посадке. Перемещение тарельчатого клапана 16 ограничивается упором 17. Верхняя часть корпуса 1 пульсатора имеет патрубок 18 постоянного вакуума, соединенного через тройник с вакуумным агрегатом и патрубок 19 переменного вакуума, соединенный через коллектор с межстенными камерами доильных стаканов. В верхней части корпуса 1 имеется атмосферный канал 20 с фильтром 21, который фиксируется крышкой 22. Рисунок 2.2 - Пульсатор доильного аппарата на основе линейного двигателя: 1 - корпус; 2 - перегородка; 3 — отверстие; 4 — камера постоянного вакуума; 5 — камера переменного вакуума; 6 - шток; 7 - якорь; 8 - магнитопроводящие диски; 9 - немагнитная прослойка; 10 - магнитопроводы; 11, 12 - намагничивающие катушки; 13 - выводы катушек; 14 - кабельный ввод; 15 - конусный клапан; 16 - тарельчатый клапан; 17 - упор; 18 - патрубок постоянного вакуума; 19 - патрубок переменного вакуума; 20 - атмосферный канал; 21 - фильтр; 22 - крышка
Режим работы усовершенствованного доильного аппарата задается пульсатором на основе линейного двигателя. Когда блок управления отключен, намагничивающие катушки 11 и 12 обесточены, а якорь 7 находится в нижнем положении. При этом тарельчатый клапан 16 расположен внизу и под действием вакуума перекрывает отверстие 3 в перегородке 2, перекрывая подачу вакуума в камеру 5. Конусный клапан 15, соединенный посредствам штока 6 с якорем 7 линейного двигателя также находится в нижнем положении. Воздух атмосферного давления заполняет камеру 5 переменного вакуума, через патрубок 19 распространяется в межстенные камеры доильных стаканов. Сосковая резина сжимается, что предотвращает расход воздуха через доильные стаканы. Рисунок 2.3 - Принцип работы пульсатора на основе линейного двигателя: а) такт сосания; б) переходная фаза от такта сосания к такту сжатия; в) такт сжатия
После включения блока управления, на соски вымени животного надеваются доильные стаканы. В зависимости от заданного режима доения, на намагничивающие катушки 11 и 12 подаются управляющие сигналы. Линейный двигатель позволяет управлять динамикой перемещения якоря 7, следовательно, и конусного клапана 15. Когда якорь 7 занимает крайнее верхнее положение, конусный клапан 15 перекрывает атмосферный канал 20, при этом отверстие 3 в перегородке 2 открыто, поскольку тарельчатый клапан 16 поднимается упором 17 (рисунок 2.3, а). Вакуум по патрубку 18 заполняет камеру 4 постоянного вакуума и через отверстие 3 камеру 5 переменного вакуума, затем распространяется по патрубку 19 в межстенные камеры доильных стаканов. Происходит истечение воздуха из межстенных камер доильных стаканов и сосковая резина принимает свое исходное положение. Молоко под действием разности давлений внутри вымени и под сосками струей выводится в подсосковые камеры доильных стаканов, а из них по молочному шлангу отводится в доильное ведро: Происходит такт сосания.
Когда якорь 7 начинает плавно переходить в нижнее положение, конусный клапан 15 постепенно открывает атмосферный канал 20, упор 17 опускается вниз, тарельчатый клапан 16 под действием вакуума притягивается и перекрывает отверстие 3 в перегородке 2", перекрывая поступление вакуума (рисунок 2.3, б). Через крышку 22, фильтр 21, атмосферный канал 20 в камеру 5 переменного вакуума происходит натекание атмосферного воздуха. Вследствие разности давлений в межстенных и подсосковых камерах доильных стаканов сосковая резина начинает сжиматься, плавно обжимая соски животного. В межстенных камерах происходит переходный процесс от такта сосания к такту сжатия. Регулируя динамику перемещения конусного клапана 15 вниз, при помощи линейного» двигателя, появляется возможность управлять длительностью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия.
Когда якорь 7 линейного двигателя занимает крайнее нижнее положение, атмосферный канал 20 полностью открыт, отверстие 3 в перегородке 2 по-прежнему перекрыто тарельчатым клапаном 16 (рисунок 2.3, в). Камера 5 переменного-вакуума, патрубок 19 И\ межстенные камеры доильных стаканов заполнены атмосферным воздухом. Сосковая резина сжимает соски и предохраняет их от действия вакуума в подсосковых камерах доильных стаканов. Происходит такт сжатия. Затем следует переходный процесс от такта сжатия к такту сосания, длительностью которого также возможно управлять при помощи линейного двигателя.
Продолжительность тактов сосания и сжатия задается блоком управления. В отличие от существующих моделей электропульсаторов разработанная конструкция позволяет управлять длительностью переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов. Таким образом, пульсатор на основе линейного двигателя позволяет формировать цикл работы доильного аппарата из тактов сосания и сжатия, а также из переходных процессов. Число циклов задается1 числом пульсаций, а продолжительность циклов определяет соотношение тактов. Блок управления позволяет задавать адаптивный режим доения с изменяющимися частотой пульсаций, длительностью и соотношением тактов. Оснащение пульсатора двумя или четырьмя линейными двигателями позволяет осуществлять попарное доение передних и задних долей вымени или же выдаивать каждую из долей отдельно с определенным режимом. Режим работы усовершенствованного доильного аппарата соответствует физиологическим особенностям процесса молокоотдачи у коров1 и отвечает биологическим требованиям; предъявляемым к доильным аппаратам. Но поскольку одной из задач исследования являлась разработка конструкции доильного аппарата с пульсатором, обеспечивающим управление длительностью переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов, то в данном исследовании рассмотрен только режим работы с 60 пульсациями в минуту и соотношением тактов 60/40 %. Аналогичный режим, работы обеспечивают большинство современных электропульсаторов.
Наилучший вариант конструкции любого устройства заключается в выборе из множества вариантов, отвечающих поставленным техническим условиям и удовлетворяющих определенному показателю, которыйг называется критерием оптимальности. Процесс оптимизации начинается с выбора целевой функции и ограничений, накладываемых на переменные [90]. В качестве целевой функции разработки доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя целесообразно принять увеличение молочной продуктивности ЯЛ/ коров. Поскольку доильный аппарат непосредственно контактирует с организмом животных, то увеличение продуктивности Д\/ зависит от конструктивно-режимных параметров. К ним относятся расход воздуха UA клапанным механизмом пульсатора, длительность tc переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов, диаметр DA атмосферного канала пульсатора и перемещение X/ якоря линейного двигателя.
Обоснование конструкции и режима работы электропривода на основе линейного двигателя
В предыдущей главе было установлено, что клапанный механизм пульсатора усовершенствованного доильного аппарата совершает возвратно-поступательные перемещения определенной амплитуды X]. Поэтому необходимо разработать привод с циклическим возвратно-поступательным движением. К такому типу электропривода относятся линейные двигатели, подвижная часть которых непосредственно связана с перемещаемыми массами [116]. В данном случае масса обусловлена величиной давления в пульсаторе, и усилие, создаваемое на якоре линейного двигателя, должно быть, больше этой массы. В зависимости от конструкции магнитопровода линейного двигателя тяговая характеристика имеет различный вид. Плавность перемещения якоря позволяет получить гиперболическая тяговая характеристика, которую имеют линейные двигатели, с прямоугольной формой, полюсов- якоря и магнитопровода [96]. Общепринятой- классификации конструкций магнитных систем линейных двигателей не существует, поэтому выбранную конструкцию линейного двигателя можно охарактеризовать терминами, используемыми различными авторами. По предложенной классификации [51] гиперболический вид тяговой характеристики обеспечивает конструкция из двух симметричных цилиндрических магнитопроводов с плоским прямоходовым якорем. Используя терминологию [132], данную, конструкцию- можно охарактеризовать как состоящую из двух симметричных нейтральных магнитных систем соленоидного типа. Согласно [119] подобную конструкцию характеризуют как с внешним тарельчатым якорем. Для разработки выбрана форма магнитной системы представленная на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 - Линейный двигатель для привода клапанного механизма пульсатора: 1 - мапштопроводящие диски; 2 — немагнитная прослойка якоря; 3 — шток; 4, 7 - намагничивающие катушки; 5 — магнитопроводы; 6 — якорь Разработанный линейный двигатель (рисунок 3.1) состоит из двух цилиндрических магнитопроводов 5 с намагничивающими катушками 4 и 7. В осевое отверстие магнитопроводов 5 вставлен шток 3, на котором закреплен якорь 6. Якорь 6 состоит из двух магнитных дисков 1 и немагнитной прослойки 2. Линейный двигатель работает следующим образом. При включении катушки 7, протекающий в ней ток индуцирует магнитное поле, силовые линии которого замыкаются через магнитопровод 5 и магнитную вставку 1. При этом возникает сила, перемещающая якорь 6 вверх. Усилие на якоре 6 передается через шток 3 клапанному механизму пульсатора. Увеличение тока на катушке 7, приводит к увеличению скорости перемещения якоря 6. Ток, поступая на катушку 4, приводит к возникновению силы, опускающей якорь 6 вниз. Увеличение тока на катушке 4 нарушает равновесие между силами и якорь 6 опускается вниз. Таким образом, подавая на катушки 4 и 7 ток определенной величины можно изменять положение якоря 6. Задавая динамику перемещения якоря, появляется возможность управлять длительностью переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов во время фаз А и С. Положение якоря 6 контролируется блоком управления за счет определения величины тока в катушках 4 и 7. Питание катушек 4 и 7 осуществляется с использованием широтно-импульсной модуляции, среднее значение тока в них определяется скважностью широтно-импульсной модуляции. Изменение скважности приводит к изменению среднего значения тока в катушках.
Для того, чтобы добиться плавности и предсказуемости перемещения якоря двигателя под действием магнитодвижущей силы, в схеме блока управления организовано два контура отрицательной обратной связи. Косвенным параметром текущего положения якоря является действующее значение тока, протекающего в катушках линейного двигателя.
Согласно [37, 38, 39, 48, 49] напряжение питания пульсатора усовершенствованного доильного аппарата составляет 12 В. На катушки линейного двигателя подается- ток постоянного, напряжения, потому что при относительно небольших амплитудах перемещения якоря, при одинаковых затратах стали; электромагнитные устройства постоянного тока развивают в 2 раза большее усилие, чем переменного тока [139]. А в данном случае усилие при минимальных затратах стали является оптимальным параметром.
В связи с возросшими потребностями техники в линейном электроприводе в последние годы интенсивно развиваются и совершенствуются линейные двигатели, однако стройной системы знаний о них и завершенной их теории нет. [56]. Приводы с линейными электродвигателями обычно встраиваются в оборудование и разрабатываются специально для решения конкретных технологических задач. Их использование по сравнению с серийными электроприводами создает для проектировщиков дополнительные трудности, связанные в первую очередь с необходимостью индивидуальной разработки и соответствующих расходов, а также с изготовлением двигателя и блоков управления. Но при таком подходе открывается путь повышения эффективности технологического оборудования в целом, а ресурсы привода и оборудования могут быть использованы оптимальным образом [35].
Принципиальная схема базовой конструкции линейного электродвигателя имеет следующие особенности [51]: - материалы для ее изготовления обычные для электрических машин; - размеры магнитной системы двигателя: рассчитываются таким образом, что между ее эквивалентной индуктивностью и величиной эквивалентного воздушного зазора существует прямо пропорциональная зависимость; - ток трогания якоря при номинальной механической нагрузке составляет 40 % от номинального; - подшипниковые элементы выполняются из немагнитных материалов для исключения прилипания якоря. Кроме того, линейные электродвигатели получают широкое распространение благодаря следующему [96]: - накоплен определенный опыт в разработке и производстве линейных электродвигателей для конкретных механизмов; - промышленностью выпускаются магнитомягкие материалы, имеющие большую индукцию насыщения и обладающие сравнительно большим удельным электрическим сопротивлением, что позволяет сократить потери на перемагничивание и токи Фуко; - современный уровень технологий позволяет осуществлять массовое производство данного оборудования; - высокий уровень развития электронных компонентов, позволяющих разрабатывать системы управления любыми технологическими процессами.
Таким образом, задачей исследования является разработка конструкции линейного электродвигателя для привода клапанного механизма пульсатора, и обоснование основных ее параметров. Конструкция двигателя должна иметь максимальное усилие при минимальных затратах стали для изготовления деталей магнитной системы и меди для намагничивающих катушек.
Приборы и общая методика эксперимента
Программой эксперимента предусматривалась проверка теоретических положений, описанных во 2 и 3 главах данного- исследования, с целью выявления- количественных зависимостей между давлением в межстенных камерах доильных стаканов и перемещением якоря линейного двигателя- и определения длительности переходных фаз доения, а также проведения проверки работоспособности усовершенствованнЪго доильного аппарата в производственных условиях. В связи с этим определены следующие задачи экспериментальных исследований г — получить осциллограммы- изменения давления- в межстенных камерах доильных стаканов усовершенствованного доильного аппарата; — определить длительность/Переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов; — построить электромеханическую характеристику линейного двигателя, соответствующую фазам доения; — проверить работоспособность усовершенствованного доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя в производственных условиях.
Экспериментальные исследования были проведены по известным методикам с использованием современного оборудования и приборов в соответствии с действующей нормативной документацией. Для этого использовались: мобильный доильный аппарата АИД-1, осциллограф ТРХ 2024, пневмотестер ПТД-1, вакуумметр ТМ 100, датчик линейного перемещения ЛИР-2, индикатор линейного перемещения ЛИР-510, электронные весы, потенциометр, доработанный доильный стакан.
Технические характеристики использованного оборудования приведены в приложениях. Работоспособность и производственные испытания доильного аппарата с пульсатором на основе линейного двигателя были проверена на молочной ферме в СПК «Московский» Изобильненского района Ставропольского края. По итогам проверки было установлено, что пульсатор обеспечивает следующие параметры доения: частота пульсаций 60 мин , соотношение тактов 60/40 %, величина вакуума в системе 50 кПа. Применение разработанного доильного аппарата позволяет максимально приблизить процесс машинной дойки к естественному процессу, предотвратить травмирование сосков вымени, практически исключить заболевание коров маститом и увеличить молокоотдачу на 10-12 %.
При проведении экспериментальных исследований режимы работы усовершенствованного доильного аппарата задавались блоком управления. В схеме блока управления организованно два независимых канала с обратной связью по току. Наиболее универсальным и гибким способом создания полноценных регуляторов является применение специализированных микроконтроллеров с модулем цифровой обработки сигналов. Такое решение помимо экономичности за счет применения меньшего числа электронных компонентов (по сравнению с полностью аналоговыми устройствами) так же повышает надежность устройства в целом и возможность быстрого изменения функциональных возможностей на программном уровне без изменения схемотехнических решений [123].
На рисунке 4.1 представлена функциональная схема канала управления одной катушкой. В схеме предусмотрены возможности управления режимом работы канала, он может быть включенным или» отключенным. Модуль формирования задания» может работать в одном из режимов фиксированного или циклически измененяемого задания. В первом случае в качестве задания выступает определенная величина тока, подаваемого на катушки линейного двигателя, изменяемая по требованию пользователя. Такой режим использовался при экспериментах по определению механической характеристики линейного двигателя. Режим циклически изменяемого задания предполагает наличие табличного описания изменения выходной величины тока в диапазоне 1с. Каждые Амс на модуль сравнения поступает очередное задание, от которого зависит величина тока, подаваемого на катушки линейного двигателя. Данный подход позволяет задавать требуемый алгоритм управления перемещением якоря линейного двигателя, что влияет на длительность переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов. Такой режим соответствует эксплуатационному режиму работы усовершенствованного доильного аппарата.
Для того чтобы добиться плавности и предсказуемости перемещения якоря линейного двигателя под действием магнитной силы, создаваемой катушками, в схеме блока управления было организовано два контура отрицательной обратной связи. Косвенным параметром текущего положения якоря является действующее значение тока, протекающего в катушках линейного двигателя. Сигнал обратной связи с датчика тока масштабируется, преобразуется модулем АЦП и поступает на модуль сравнения.
