Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 4
1.1. Введение 4
1.2. Характерные особенности использования доильных установок на фермах и комплексах с промышленной технологией производства молока 6
1.3. Анализ существующих способов регулирования вакуумного режима современных доильных установок 9...14
1.4. Постановка задач исследований 14... 16
2. Теоретические исследования системы регулирования вакуума доильных установок 16...
2.1. Исследование магистрального вакуум-провода доильных установок 16.
2.2. Исследование элементов стабилизатора вакуума доильных установок 19...29
2.3. Синтез системы регулирования вакуума 29
2.4. Выводы по главе 2 35...
3. Экспериментальные исследования системы регулирования вакуума доильных установок 36...
3.1. Методика экспериментальных исследований 36...36
3.2. Определение суммарного расхода воздуха доильными установками 38...46
3.3. Экспериментальные исследования динамических параметров объекта регулирования . 46
3.4. Экспериментальные исследования динамических параметров стабилизатора вакуума 48.
3.5. Разработка рациональной системы регулирования вакуума 51
3.6. Анализ экспериментальных исследований 60.
3.7. Выводы по главе 3 63...
4. Производственные испытания системы регулирования вакуума доильных установок 64...
4.1. Описание устройства и принцип действия системы регулирования вакуума 64...65
4.2. Результаты производственных испытаний и внедрение в производство 65...68
4.3. Технико-экономическая оценка системы регулирования вакуума 68
4.4. Выводы по главе 4 116...
Выводы и предложения 117.
Литература 119.
Приложения 131.
- Характерные особенности использования доильных установок на фермах и комплексах с промышленной технологией производства молока
- Исследование магистрального вакуум-провода доильных установок
- Определение суммарного расхода воздуха доильными установками
- Результаты производственных испытаний и внедрение в производство
Введение к работе
В Продовольственной программе СССР намечены крупные меры по дальнейшему развитию сельского хозяйства и связанных с ним отраслей. Ставится задача довести среднегодовое производство молока до 97-99 млн.тонн и в двенадцатой пятилетке до 104 - 106 млн.тонн. Важнейшим условием успешной реализации Продовольственной программы СССР является ускорение научно-технического прогресса, высокоэффективное использование производственного потенциала и укрепление материально-технической базы сельского хозяйства, всех отраслей агропромышленного комплекса на основе дальнейшего развития комплексной механизации земледелия и животноводства. Неуклонно повышать технический уровень, качество и, особенно надежность машин и оборудования для растениеводства, животноводства и кормопроизводства.
Концентрация поголовья скота на фермах и комплексах приводит к необходимости одновременной установки нескольких доильных установок на одной доильной площадке.
Важнейшую роль при групповом использовании доильных установок приобретает надежность стабилизации величины вакуума в вакуум-проводе доильных установок. Практика эксплуатации доильных установок и исследования ученых Е.И.Админа, А.В.Филиппова, В.Т.Козлова и других, показали, что доильные установки значительную часть времени работают в условиях ненормального вакуумного режима. При этом возникают неблагоприятные воздействия на вымя коров и сильно ухудшаются технико-экономические показатели доильных установок. Применяемые в настоящее время вакуумные регуляторы грузового типа с масляными компенсаторами обслуживают только одну доильную установку и имеют существенный недостаток, они загрязняют молоко нефтепродуктами. В настоящее время в хозяйствах Российской Федерации широкое применение нашли высокопроизводительные вакуумные насосы, в частности, водокольцевые серии ВВН.
Опыт эксплуатации этих насосов показывает, что применение их на фермах от 200 до 1200 голов является более эффективным, чем использование насосов типа УВУ. Научно-технический Совет MGX СССР в 1977 г. рассмотрел и одобрил представленный ВИЭСХом и ВНИИМЖем проект рекомендаций по проектированию и эксплуатации вакуумных систем для молочных ферм промышленного типа с водо-кольцевыми насосами типа ВВН. Однако использование насосов ВВН с серийными грузовыми регуляторами невозможно, так как последние имеют малую пропускную способность и не могут стабилизировать вакуум в заданных пределах.
В настоящей работе рассмотрена система стабилизации вакуумного режима в центральном вакуум-проводе доильных установок за счет впуска воздуха в вакуум-провод. Разработана математическая модель системы регулирования вакуума, описывающая поведение системы при различных возмущающих воздействиях, возникающих при групповом использовании доильных установок на одной доильной площадке. Исследованы и обоснованы параметры этой системы. Осуществлен синтез системы регулирования вакуума в центральном вакуум-проводе доильных установок. Разработан и внедрен в сельскохозяйственное производство новый стабилизатор вакуума CB-I.
Применение созданной в результате исследований системы регулирования вакуума в центральном вакуум-проводе доильных установок существенно повышает эффективность и качество использования современного доильного оборудования, снижает себестоимость и повышает качество продукции, улучшает условия труда обслуживающего персонала ферм.
Характерные особенности использования доильных установок на фермах и комплексах с промышленной технологией производства молока
Интенсификация молочного животноводства связана с решением многих проблем, вызванных переводом отрасли на промышленную технологию производства молока. Промышленная технология предъявляет повышенные требования к организации труда, механизации и технологии содержания, кормления и доения животных. Основу промышленной технологии производства составляют поточность, ритм производства, квалификация обслуживающего персонала и пригодность коров к машинному доению. Использование промышленной технологии производства молока предполагает переход от традиционного, привязного содержания к более прогрессивному беспривязно-боксовому содержанию. Беспривязно-боксовое содержание животных значительно улучшает гигиеническое состояние животных и мест их содержания. Это снижает затраты труда на содержание и доение животных , повышает качество молока, а также позволяет внедрить 2-х сменную работу на фермах.
Практика эксплуатации доильных установок на комплексах в две смены показывает, что удельные приведенные затраты снижаются примерно на 14-15$ по сравнению с односменной работой, а приведенные затраты технологического процесса сокращаются почти в 2 раза /26/. Снижение приведенных затрат происходит за счет значительного повышения коэффициента использования доильных установок, смонтированных в одном доильном зале, а также за счет более полного использования других средств механизации.
Это первая особенность использования доильного оборудования на фермах с промышленной технологией производства молока. Второй особенностью является резкое повышение требований к надежности вакуумного режима доильных установок, что в свою очередь повышает требования к надежности вакуумных насосов и регуляторов. Как отмечалось в подразделе I.I., стабилизация вакуумного режима на доильных установках осуществляется в настоящее время грузовыми вакуумными регуляторами. Результаты обследования хозяйств показывают, что 60% грузовых регуляторов на доильных установках в оптимальном режиме не работают /2/. Появляющиеся в связи с этим постоянные сбои вакуумного режима в подсосковом пространстве доильных стаканов снижают скорость выдаивания коров на 0,06-0,15 л/мин., удои молока на 2-2,% и приводят к появлению субклинических маститов /2/. Этих потерь можно избежать за счет разработки и внедрения в серийное производство более совершенных вакуумных регуляторов, не допускающих колебаний вакуумного режима более і 1,5.103 Па.
Специализация и концентрация молочного животноводства и перевод отрасли на промышленную технологию предполагают не только рост количественных показателей, таких как поголовье скота, количество эксплуатируемых машин, но и перерастание количественных показателей в качественные. В этом заключается третья особенность использования доильных установок на фермах и комплексах промышленного типа. В этой связи следует отметить, что большое количество малопроизводительных вакуум-насосов, установленных на промышленных фермах не только не улучшают качественных показателей производства, а напротив приводит к снижению коэффициента активной мощности, увеличению площади помещений и шума при доении, увеличению затрат труда на их обслуживание.
Внедрение прогрессивных технологий производства молока требует и внедрения на фермах более производительного и надежного промышленного оборудования, в частности, вакуум-насосов типа ВВН для машинного доения.
Исследованиями, проведенными в ВИЭСХе и ВНИИМЖе, установлено, что вакуум-насосы типа ВВН имеют по сравнению с насосами УВУ-60/45 следующие преимущества: простота конструкции и удобство в обслуживании; высокая надежность в эксплуатации; несравнимо более низкий уровень шума при работе, значительно меньшие удельные затраты энергии.
Водокольцевые насосы нашли широкое применение в хозяйствах Российской Федерации, на комплексе "Вершининский" Томской области, совхозах "Московский", им.Моссовета, "Фаустово", "Пова-динский", колхозах "Новый путь", им.Кирова Московской области, в хозяйствах Кемеровской, Свердловской, Пензенской и других областей.
На молочных фермах размером от 200 до 1200 голов использование насосов ВВН является более эффективным по сравнению с насосами УВУ, при этом снижаются прямые эксплуатационные издержки, что дает значительное снижение себестоимости молока /84/.
Бессоновский компрессорный завод Пензенской области выпускает водокольцевые насосы ВВН-3; ВВН-6; BBH-I2. По данным Казанского химико-технологического института, годовая потребность в водокольцевых насосах для нужд молочных ферм составит примерно 40000 штук.
Однако отсутствие надежных и производительных вакуумных регуляторов для работы в комплекте с водокольцевыми насосами, затрудняет их дальнейшее распространение и внедрение в сельскохозяйственное производство.
Исследованиями ученых установлено, что важнейшим фактором в технологии машинного доения на современных доильных установках является обеспечение физиологически обоснованного стереотипа внешних раздражений и воздействий на животных. По отношению к животному работа доильного аппарата является внешним воздействием. Постоянство рабочих режимов доильного аппарата - частоты пульсаций, соотношения тактов и величины вакуума под соском обуславливается стабильностью величины вакуума в вакуум-проводе доильной установки.
Вопросам стабилизации вакуумного режима в вакуум-проводе доильных установок посвящены работы следующих авторов: Комарова В.И., Волкова И.Е., Герасенкова А.А., Дымшиц Н.А., Коса Ю.Я., Оберемченко А.И. и других.
В ССОР единственным способом стабилизации вакуумного режима на серийных доильных установках является впуск воздуха в их вакуумную систему. Такое регулирование вакуума осуществляется с помощью клапанного регулятора с грузом и пружинно-гидравлическим успокоителем колебаний ДЩ 08.010 (конструкция Рижского ГСКБ). Разработаны другие способы регулирования вакуума на доильных установках, изменением производительности вакуумного насоса и изменением сечения вакуум-провода в зависимости от величины вакуума в системе. Последние два способа на серийных доильных установках не применяются.
Исследование магистрального вакуум-провода доильных установок
Для реализации этого способа во ВНИИМЖе сконструирован регулятор вакуума PB-I. Этот регулятор громоздок, его масса равна 80 кг. Установка регулятора PB-I в рассечку вакуум-провода создает значительные гидравлические сопротивления. На участке вакуум-провода, между регулятором и вакуум-насосом постоянно поддерживается повышенный вакуум, что приводит к отказам насоса и существенно сокращает срок его службы, а также увеличивает расход электроэнергии на его привод.
Регулятор PB-I ненадежен в работе, так как дроссели, имеющиеся в его конструкции, постоянно засоряются конденсатом воздуха, что приводит к нарушению технологического процесса доения. Как отмечает ряд авторов /7,27,44/, рациональной областью применения этого способа регулирования вакуумного режима являются малопроизводительные доильные установки и тупиковые ветви магистральных вакуум-проводов.
Кафедрой МЖФ МИИСПа совместно с лабораторией механизации машинного доения и первичной обработки молока ВНИИМЖ разработан стабилизатор вакуума CB-I, предназначенный для стабилизации вакуумного режима при групповом использовании доильных установок. Стабилизатор вакуума CB-I является мембранньм регулятором непрямого действия, работающим по принципу впуска воздуха в магистральный вакуум-провод из атмосферы. Принципиальная схема стабилизатора вакуума CB-I приведена на рис.1.1.
В состав стабилизатора вакуума CB-I входят: I - регулятор управления; П - исполнительный механизм. Регулятор управления в свою очередь состоит из чувствительного элемента 2, представляющего собой резинотканевую мембрану, задатчика 3, управ ляющего клапана I. Исполнительный механизм включает: мембрану 5 и регулирующий клапан 4, связанные штоком.Молочное животноводство в настоящее время вступило в новую фазу развития - переход на промышленную технологию производства молока, основу которой составляют механизация и автоматизация производства, поточность технологических процессов, ритм производства, высокая квалификация обслуживающего персонала, высокопродуктивный скот.
Концентрация поголовья скота на фермах и комплексах потребовала внедрения более прогрессивной технологии содержания животных - беспривязно-боксовой. При этой технологии содержания доильное оборудование размещается в одном доильном зале. Простое суммирование малопроизводительного оборудования, например доильных установок, вакуумных насосов, регуляторов вакуума не приводит к улучшению количественных и качественных показателей производства. Стабилизация вакуумного режима на современных доильных установках осуществляется грузовыми регуляторами, которые не отвечают современным возросшим требованиям физиологии машинного доения и требованиям, предъявляемым к качеству продукции. В настоящее время на промышленных фермах и комплексах нашли широкое применение высокопроизводительные и надежные в работе водокольцевые вакуумные насосы типа ВВН. Повсеместному внедрению их мешает отсутствие вакуумных регуляторов, могущих работать в комплекте с насосами ВВН. Целью настоящих исследований является - обоснование параметров и разработка системы регулирования вакуума, обеспечивающей стабильный вакуумный режим в магистральном вакуум-проводе доильных установок. В соответствии с намеченной целью в работе были поставлены следующие задачи исследования: - провести теоретические и экспериментальные исследования динамических характеристик магистрального вакуум-провода; - на основании проведенных исследований разработать систему регулирования вакузмного режима в вакуум-проводе доильных установок; - обосновать теоретические предпосылки по выбору параметров системы регулирования вакуумного режима в вакуум-проводе доильных установок; - провести экспериментальные исследования звеньев системы регулирования вакуума; - провести производственные испытания экспериментальной системы регулирования вакуума с разработкой соответствующих рекомендаций и внедрением в производство.
Определение суммарного расхода воздуха доильными установками
Методика экспериментальных исследований предназначена для определения приемов исследования, нахождения необходимого количества опытов и оборудования. Задачей экспериментальных исследований является обоснование динамических параметров магистрального вакуум-провода и стабилизатора вакуума. Для получения достоверных данных часть опытов планируется провести в производственных условиях, остальные опыты будут проведены на лабораторной установке.
Реакцию системы регулирования вакуума необходимо анализировать при отклонении величины регулируемого параметра (величины вакуума) от равновесного состояния в результате приложения скачкообразного возмущения /108/. Скачкообразное возмущение соответствует наиболее влиятельному возмущению реальной вакуумной системы - мгновенному впуску потока воздуха в вакуум-провод в результате включения в работу всех имеющихся на доильных установках доильных аппаратов. Прежде чем определять динамические параметры магистрального вакуум-провода и стабилизатора вакуума необходимо определить величину скачкообразного возмущения. Для этого нужно определить в реальных условиях эксплуатации суммарный расход воздуха доильными аппаратами и пневматическим оборудованием одной, двух и более доильных установок. При определении динамических параметров системы регулирования вакуума величина возмущения должна быть достаточно большой /97/, чтобы полученная характеристика отличалась от случайных колебаний регулируемой величины в эксплуатационном режиме.
Наибольшее распространение в нашей стране получили фермы от 200 до 1200 голов крупного рогатого скота /128,129/. Системой машин на I98I-I990 годы предусмотрена установка на этих фермах І4-3 современных доильных установок, имеющих в своем составе 8-г48 доильных аппаратов. Определение суммарного расхода воздуха планируется провести в реальных условиях эксплуатации на молочном комплексе ОПХ "Ерино" ВШИМЖ. На этом комплексе содержится 800 коров, на одной доильной площадке смонтированы две доильные установки УДЕ-8 "елочка", подключенные к одному магистральному вакуум-проводу. Вакуум в системе доильных установок создается одним водокольцевым вакуум-насосом / / -35/90-03. Расход воздуха через магистральный вакуум-провод измеряется дифманометром-расходомером ДМ-3564 (кл.точности 1,5) в комплекте с нормальными камерными диафрагмами. Выходной сигнал дифманометра записывается на ленту самописца Н3020-5 (кл.точн.0,5). Одновременно с расходом воздуха будут определены динамические параметры магистрального вакуум-провода Т0 - постоянная времени и %,- транспортное запаздывание. затора вакуума будут определены на лабораторной установке, разработанной автором. Постоянная времени / и транспортное запаздывание вакуум-провода лабораторной установки те же, что и магистрального вакуум-провода. Лабораторная установка для определения динамических параметров системы регулирования вакуума представлена на рис.3.1.
В состав лабораторной установки входят: магистральный вакуум-провод с водокольцевым вакуум-насосом R -35/90-03, стабилизатор вакуума CB-I, осциллограф H-II5, счетчик газа РГ-400-І и дифманометр ДТЛ-3564.
Снятие кривой разгона и определение динамических параметров магистрального вакуум-провода будем производить следующим образом: при номинальном значении вакуума в магистральном вакуум-проводе резко изменяем расход воздуха через него. Производим запись изменения расхода воздуха и величины вакуума во времени на ленту самопишущего прибора. На основании полученных результатов построим кривую разгона процесса, происходящего в вакуум-проводе. По кривой разгона определим динамические параметры вакуум-провода: коэффициент усиления A , постоянную времени и транспортное запаздывание 7Ґ . Аналогичным образом определим динамические параметры стабилизатора вакуума CB-I.
Результаты производственных испытаний и внедрение в производство
Кроме того ротационные установки создают большой шум, загазованность окружающей среды. На основании обобщения опыта и проведенных исследований применения промышленных вакуумных насосов предлагается вместо большого количества ротационных насосов для доильных установок использовать один - два водокольце-вых вакуумных насоса, равных им по производительности. Применение централизованных вакуумных установок позволяет значительно повысить надежность работы доильных установок различных типов, улучшить качество процесса доения и уменьшить заболеваемость коров маститом, уменьшить шум и загазованность в помещениях, значительно снизить затраты труда на обслуживание, сократить эксплуатационные издержки.
Оценка экономической эффективности централизованной вакуумной установки с водокольцевым насосом ВВН и стабилизатором вакуума CB-I проводилась в сравнении с серийными вакуумными установками УВУ-60/45 с грузовым регулятором для ферм с поголовьем: 200, 400, 600, 800, 1000, 1200. Расчет проведен согласно следующих руководящих материалов и нормативов: 1. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений, I960 г. 2. Типовые нормы времени на работы по техническому обслуживанию машин и оборудования животноводческих комплексов по производству молока и откорму крупного рогатого скота, 1961 г. 3. Новые прейскуранты цен на промышленные изделия, введенные в действие с I января 1962 года. Экономический эффект от внедрения централизованной вакуумной установки складывается из следующих факторов: 1) поддержание в магистральном вакуумпроводе величины вакуума с отклонениями не более 3000 Па позволяет поддерживать стабильный вакуум под соском у коров, при этом число скрытых маститов снижается примерно на 25-30% /3/; 2) жесткая стабилизация вакуумного режима при доении, как установлено рядом исследований /3; 49; 109/, увеличивает надои от коров в среднем на 1,5 ... 2,5%. Для выявления эффекта от снижения маститов рассмотрим ферму, на которой содержится 100 коров. Согласно данным ЦСУ РСФСР средний надой на I корову по РСФСР в I960 году составил 2141 кг. Допустим, что все молоко как в новом, так и в базовом вариантах сдается государству 2-м сортом по цене 295 рублей за тонну (Приказ Минсельхоза РСФСР № 175 от 18.02.81 г.). Дополнительный эффект от снижения маститов будем считать полагая, что по данным ВНЙИВС 24% коров в стаде болеют маститом /77 /, а внедрение централизованных вакуумных установок позволит снизить на 25% число коров больных маститом /3/. Убытки от животных больных маститом складываются из стоимости лечения - 5 руб/мастит и уменьшения молока от них, в среднем на 10% в год /27/ - 63,1 руб/мастит. Таким образом ущерб от одной коровы больной маститом составит 68,1 руб/год. Для фермы на 100 коров, при использовании старой вакуумной системы, имеем 24 мастита, а при внедрении новой системы на 25% или на 6 маститов меньше. Дополнительная прибыль в год при использовании новой вакуумной системы на ферме в 100 коров составит: Пд = 68,1 руб/год х 6 = 408,6 руб/год (4.1) Теперь нетрудно посчитать прибыль от уменьшения маститных заболеваний коров, при использовании централизованных вакуумных установок на фермах с поголовьем 200, 400 и т.д. коров. Исходные данные для расчета приведенных затрат по сравниваемым вариантам приведены в таблице 4.2. Результаты расчета представлены в таблице 4.3. Расчет стоимости вакуум-баллона для ЦВУ приведен в приложении 5. На рисунке 4.4 приведен график распределения приведенных затрат на содержание ЦВУ, в зависимости от размера фермы и типа ЦВУ. На этом графике, по оси ординат отложены приведенные затраты на содержание ЦВУ, а по оси абсцисс - размер ферм. Из графика (рис.4.4) видно, что на фермах с поголовьем 200, 400 и 600 голов наиболее эффективным является применение ЦВУ-3, на ферме в 800 голов - ЦВУ-І2, а на фермах в 1000 и 1200 голов - ЦВУ-б. График позволяет выбрать по минимуму приведенных затрат наиболее эффективный тип ЦВУ для имеющейся фермы. Годовой экономический эффект от внедрения ЦВУ на фермах приведен в таблице 4.4.
