Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса разработки и исследований процесса работы вакуумных насосов перистальтического типа
Анализ механизации процесса доения коров в малых хозяйственных формированиях .
Обзор существующих серийных доильных установок 1.6
Обзор конструкций вакуумных насосов доильных установок и их классификация Анализ научных работ по исследованию процесса работы вакуумных насосов перистальтического типа Пути дальнейшего совершенствования процесса работы и конструкции перистальтических насосов, применительно к фермам малых форм хозяйствования
Задачи исследования .
Теоретические исследования усовершенствованного перистальтического насоса
2.1 Обоснование подачи вакуумного насоса, применительно к фермерским и личным подсобным хозяйствам
2.1.1 Устройство и принцип работы серийного шлангового насоса 2.2
2.1.2 Подача шлангового вакуумного насоса, при нагру жении шлангов атмосферным давлением .
Устройство и принцип работы усовершенствованного перистальтического насоса
Подача шлангового насоса, со шлангами нагруженными внутренним давлением
Анализ деформации шланга и распрямления его под действием сил упругости и вакуума
Выводы по главе
Программа и методика экспериментальных исследований вакуумного насоса перистальтического типа
3.1 Программа и задачи экспериментальных исследований .
3.2 Описание приборов и экспериментальной установки
3.3 Частные методики экспериментальных исследований
3.3.1 Методика исследования подачи вакуумного насоса перистальтического типа .
3.3.2 Методика определения температурных характеристик насоса
3.3.3 Методика определения максимальной глубины вакуума .
3.4 Методика исследования энергетических показателей вакуумного насоса .
3.5 Определение физико – механических свойств эластичных
оболочек 79
3.6 Методика обработки экспериментальных данных 85
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований вакуумного насоса перистальтического типа 89
4.1 Исследование процесса работы насоса 89
4.2 Исследование характеристик подачи вакуумного насоса перистальтического типа 93
4.3 Производственная проверка вакуумного насоса перистальтического типа 99
4.4 Уточненная методика инженерного расчета вакуумного насоса перистальтического типа 109
Выводы по главе 111
Глава 5 Экономическая эффективность внедрения результатов исследования 114
Выводы по главе 123
Заключение 125
Итоги выполненного исследования 125
Рекомендации и предложения производству 126
Перспективы дальнейшей разработки темы 126
Список литературы
- Пути дальнейшего совершенствования процесса работы и конструкции перистальтических насосов, применительно к фермам малых форм хозяйствования
- Устройство и принцип работы усовершенствованного перистальтического насоса
- Частные методики экспериментальных исследований
- Производственная проверка вакуумного насоса перистальтического типа
Пути дальнейшего совершенствования процесса работы и конструкции перистальтических насосов, применительно к фермам малых форм хозяйствования
Уровень эффективности производства продукции животноводства в мелких хозяйствах к настоящему времени достаточно низок. И причин этому несколько: слабый уровень развития животноводческих отраслей, недостаток финансовых средств, недостаток различных материальных ресурсов.
Общеизвестно, что уровень производства молочной продукции, степень производительности труда в малых хозяйственных формированиях зависит в значительной степени от уровня механизации и автоматизации доения коров, качества доильного оборудования, а также обеспечения молочных ферм эффективными комплексами оборудования для первичной обработки и хранения молока до его реализации [3].
Сравнение систем доения коров в условиях малых форм хозяйствования показало, что в малогабаритных доильных установках есть некоторые общие технологические черты с линейными (стационарными). При равном количестве доильных аппаратов передвижные системы доения имеют высокую производительность, меньшие затраты труда, а также удельные энерго- и металлоемкость.
В последние несколько лет все большее количество молока, как уже отмечалось выше, производится в фермерских хозяйствах и в хозяйствах населения. Для удовлетворения нужд данного сегмента производителей предлагаются системы доения различных типов [62, 63, 64]. При выборе технических средств машинного доения на первый план выходят вопросы относительной их стоимости и технологической пригодности. Для мелкого товаропроизводителя в этом смысле наиболее привлекательными можно считать малогабаритные доильные установки. Основное преимущество оборудования такого типа в том, что его можно использовать для доения коров, как в помещениях, так и на пастбищах. В его состав входят смонтированные на тележке вакуумный насос (с электроприводом или двигателем внутреннего сгорания), рама которого одновременно может служить и вакуумным баллоном, и один или несколько доильных аппаратов с доильными ведрами.
В технологическом отношении такую систему доения можно классифицировать как доение в передвижную емкость с автономным источником вакуумметри-ческого давления.
Такие малогабаритные доильные установки предназначены мелкому производителю, но остаются наименее исследованными с точки зрения эксплуатационных особенностей и технологических параметров применительно к конкретным условиям производства.
Несмотря на то, что известные малогабаритные доильные установки имеют общие признаки по конструктивному исполнению и технологическим показателям, в них существуют и определенные отличия.
Так, шведская фирма DeLaval предлагает производителям молока малогабаритные доильные установки Carello и Bosio. Современная установка Bosio предназначена для обслуживания значительно большего поголовья, хотя у них есть и нечто общее: обеими установками можно доить коров с помощью одного или двух доильных аппаратов со сбором молока в одно или два доильные ведра одинаковой емкости, установленные на тележке. Отличие только в конструктивном исполнении, в частности, в установке Carello нет вакуумного баллона (обязательный элемент линейных доильных установок).
Малогабаритная доильная установка MobiMelk фирмы Westfalia Surge имеет аналогичное назначение, но молоко от двух доильных аппаратов собирается в одну, установленную на тележке емкость увеличенного объема – (40 л или 33 л) из алюминия или нержавеющей стали. Для привода вакуумного насоса может использоваться как электродвигатель, так и двигатель внутреннего сгорания.
В частности, ее можно использовать в условиях, где нет электроснабжения, например на пастбищах. Наличие одной емкости, а не двух доильных ведер, как в оборудовании фирмы DeLaval, и компактное размещение вакуумного насоса на ва 14 куумном баллоне (ресивере) уменьшает габариты установки, положительно влияет на ее маневренность в коровнике и на пастбищах.
В индивидуальных доильных установках GEPV-160 и GEPV-250 итальянской фирмы Interpuls на тележке смонтирован только электродвигатель с вакуумным насосом и вакуумный баллон, а одно или два доильные ведра с доильными аппаратами нужно переносить вручную, что создает заметные неудобства и усложняет работу оператора. В этом случае мобильной можно считать только вакуумную установку. Сам же процесс доения с использованием такого оборудования можно рассматривать как доение в переносные доильные ведра, аналогичные линейным доильным установкам, но с мобильной вакуумной установкой.
Один из самых мощных в странах СНГ производитель доильного оборудования - ОАО "Брацлав" предлагает установки для индивидуального доения: УИД-10 (с одним доильным аппаратом со сбором молока в одно доильное ведро) и УИД-20 (с двумя доильными аппаратами со сбором молока в два доильных ведра). Их конструктивная особенность - специфическая форма вакуумного баллона, который выполняет функцию рамы тележки. Это оборудование по конструкции аналогично мобильным установкам Bosio. Некоторые различия между ними имеются в технологических показателях. Так, отечественное оборудование уступает по пропускной способности и производительности оператора машинного доения в варианте с двумя доильными аппаратами.
Среди отечественных образцов наибольшую пропускную способность и производительность имеют индивидуальные доильные установки "Березка-1" и "Березка-2". Принципиальным в конструкции этого оборудования можно считать наличие только одной молочной емкости определённого объема для разного количества доильных аппаратов и то, что здесь нет вакуумного баллона.
При таком разнообразии как конструктивных решений и марочного состава, так и широкого варьирования их технологических показателей и эффективности работы, в случае, когда нет сравнительных характеристик этих мобильных доильных установок с классическими системами доения, товаропроизводителям по – прежнему сложно сделать рациональный выбор той или иной системы доения применительно к конкретным производственным условиям.
Устройство и принцип работы усовершенствованного перистальтического насоса
Вакуумные насосы, используемые в животноводстве при доении коров, могут быть разной конструкции и иметь разную производительность или подачу. Если разрабатывается насос, например, для фермы с поголовьем 200 животных, то будет использоваться как минимум 20 доильных аппаратов. Каждый аппарат потребляет определенную порцию воздуха (минимум 2,5 м3/ч). В данном случае, производительность насоса за 1 час работы, должна составлять, не менее 50 м3 воздуха. Если поголовье составляет 100 животных, то производительность насоса за 1 час работы, должна составлять около 25 м3. А теперь вернемся к малым фермерским и личным подсобным хозяйствам. Поголовье коров в таких хозяйствах может составлять от 10 до 25 животных максимум. Поэтому и насос, используемый при доении должен иметь производительность порядка 10 м3/ч воздуха.
В индивидуальных доильных аппаратах производительность вакуумного насоса должна быть 2,5…3,0 м3/ч. Насос обычно в таком аппарате монтируется на подвижной ручной тележке и оборудован небольшим вакуумным баллоном. Нередко роль вакуумбаллона выполняет доильное ведро.
Двухтактный доильный аппарат работает при вакууме от 45 до 48 кПа, а трехтактный – до 53 кПа. Трехтактный аппарат безопаснее по отношению к двухтактному, поэтому при доении коров в малых хозяйствах целесообразно использовать универсальный доильный аппарат, работа которого возможна как в двухтактном, так и в трёхтактном режимах.
Подача является основным параметром, характеризующим работу насоса. Она зависит от режимных показателей насоса и его конструктивных особенностей. 2.1 .1 Устройство и принцип работы серийного шлангового насоса
Рабочим органом такого насоса (рисунок 2.1) является закрепленный на профилированном корпусе 1 шланг из эластичного материала (например, резины или пластмассы) 2. Шланг периодически сжимается обкатываемым роликом 4, и перекачиваемая среда, которой заполнена его внутренняя полость, выжимается.
Для бесперебойной подачи среды по шлангу и предупреждения вытеснения перекачиваемой среды, в держателе 3 закреплено 3 ролика. В результате вращения ротора 4 происходит его сжатие в месте контакта и осуществляется вытеснение среды посредством роликов. Концы шланга крепятся в корпусе насоса или посредством специальных зажимов, с которыми соединяют трубопроводы. Чтобы не допустить быстрого износа, шланг и поверхность корпуса насоса обрабатывают смазкой. Шланговый насос позволяет обеспечить импульсную подачу, зависящую от частоты вращения вала с держателями роликов и диаметра шланга, а также количества шлангов, расположенных параллельно в корпусе насоса. 2.1.2 Подача шлангового вакуумного насоса, при нагружении шлангов атмосферным давлением
Подача насоса определяется из расчета объема воздуха, поступающего на откачку из вакуумной системы. Объем воздуха, откачиваемый за один оборот ротора насоса из одного витка шланга, в первом приближении обычно представляется в следующем виде [7, 13] V О=L.Ed ш 2 , м 3 (2.1) где d - внутренний диаметр рабочей полости обкатываемого шланга, м; L - длина рабочего шланга, м. Тогда длина шланга может быть представлена в следующем виде: d L = 7v\D 0-- м (2.2) где D0 - внутренний диаметр статора насоса, м; d - внешний диаметр шланга, м. Следует отметить, что на шланг, как гибкую оболочку, обычно оказывает влияние давление воздуха как с наружной его стороны, так и с внутренней. При этом он расположен не по всему периметру статора.
В таком случае, рабочую длину шланга выражают формулой 1.3. При этом неиспользуемый участок длины шланга может иметь достаточно широкий диапазон значений. В некоторых конструкциях он может вообще отсутствовать или быть незначительным, т.е. в процессе внешнего давления ролика ротора исключается некоторый рабочий объем шланга на длине l , зависящий от диаметров ролика и статора. Тогда d L = 7t V D 0 2 -l-l , м. (2.3) p Кроме того, под воздействием ролика (рисунок 2.2) теряется некоторый объем полости шланга за счет уменьшения внутреннего диаметра рабочего шланга, на участке lф . Эта потеря объёма рабочего шланга может быть учтена поправочным коэффициентом k в формуле 2.1:
Частные методики экспериментальных исследований
Каждая из секций 3, 4, 5 насоса обеспечивает работу различных узлов доильной установки. Эластичные камеры 6 закреплены последовательно одна за другой внутри секций корпуса 1 насоса. Эластичная камера 6, расположенная в первой секции 3 насоса осуществляет воздухозабор внутри корпуса 1 насоса, играющей одновременно роль вакуумного баллона для выравнивания давления внутри оболочки и снаружи ее.
Внутренняя полость второй секции 4 соединена с внутренней полостью первой секции 3 посредством перепускного клапана 18. Соответственно степень разрежения, создаваемая вакуумом в первой секции 3 насоса, проходя через перепускной клапан 18 в перегородке 2 между секциями 3 и 4, снижается до значения, необходимого для работы молокопровода. Аналогично внутренняя полость третьей секции 5 соединена с внутренней полостью второй секции 4, а степень разрежения, создаваемая вакуумом во второй секции 4 насоса, посредством перепускного клапана 18 в перегородке 2 между секциями 4 и 5, снижается до значения, необходимого для вакуум-провода. Таким образом, степень разрежения вакуума в секциях 3, 4, 5 насоса соответствует величине разрежения, получаемой в каждой секции насоса, и регулируемой за счет действия перепускных клапанов 18. При использовании данного насоса давление внутри и снаружи эластичной камеры 6, расположенной в секциях 3, 4, 5 насоса, выравнивается, что позволяет использовать эластичную камеру с толщиной стенок меньше, чем в аналогичных конструкциях. Устраняется и необходимость установки в доильном агрегате регуляторов вакуума дифференциального типа.
Работает предлагаемый вакуумный насос перистальтического типа следующим образом. Ролик 9 под действием пружины 14 сжимает эластичную камеру, что разделяет, в сочетании с передавливанием камеры вторым роликом, полость эластичной камеры 6 на две части.
При вращении ротора 7 ролики 9 катятся по поверхности эластичного шланга 6, попеременно и плотно пережимая ее в месте ее контакта с роликом 9. При этом по мере поворота ролика 9 (на рисунке против часовой стрелки) объем части полости эластичного шланга 6 за роликом 9 увеличивается, и в нее всасывается газ, од 60 новременно объем части эластичной камеры 2 перед роликом 9 уменьшается, удаляя воздух из системы.
Далее ролик 9, сжимая эластичный шланг, перекатывается в зону расположения всасывающего отверстия, проходит его, вновь шланг 6 разделяется роликом 9 на две части, и процессы повторяются с заданной частотой вращения ротора 7.
Таким образом, глубина вакуума в каждой секции поддерживается практически равной вакууму в эластичных шлангах, что является основным отличительным признаком насоса, обеспечивающего улучшение условий деформации его шлангов и работы.
Качение ролика 9 по поверхности эластичного шланга 6 с тонкими стенками снижает силу трения его о поверхность этого шланга, уменьшает его нагрев, увеличивает срок службы деформируемых деталей насоса и облегчает сжатие стенок. Отсутствие разности давлений в шланге и вне его содействует его распрямлению, силы внутренних сопротивлений материала камеры уменьшаются. Все это обеспечивает некоторое снижение энергозатрат на привод насоса, а увеличение рабочей полости эластичной камеры, в сравнении с эластичными камерами известных объемных насосов, позволяет повысить его подачу.
Известно, что А.С. Вольмир [25] также занимался исследованиями поведения цилиндрических оболочек, в случае воздействия внешнего давления. Им была решена линейная задача. В частности он изучал случаи, когда оболочка подвергалась действию равномерно распределенного по боковой поверхности внешнего давления q , или в серийных вакуумных шланговых насосах с атмосферным давлением в корпусе. Подобный вид нагружения характерен для корпусов подводных лодок и оболочек авиационных двигателей. Резервуары в химической промышленности также часто испытывают избыточное внешнее давление.
В исследуемом же нами насосе наблюдается случай (по крайней мере, в секциях 4 и 5 по рисунку 2.13), когда шланг может не подвергаться внешним воздей 61 ствиям, так как и в нем и в корпусе насоса (т.е. снаружи шланга) действует разрежение одинаковой величины. Возможен и вариант, когда снаружи шланга вакуум больше, чем внутри, и его стенки подвергаются не сжатию, а растяжению. Это может способствовать повышению подачи насоса.
Рассмотрим этот последний вариант работы исследуемого нами шланга экс периментального насоса.
Цилиндрическая оболочка, подвергающаяся внутреннему давлению На оболочку оказывает воздействие разность внешнего (большего) и внутреннего вакуумметрических давлений. В таком случае оболочка подвергается действию равномерно распределённого по боковой поверхности внутреннего давления q (рисунок 2.14) [13].
Рассмотрим задачу об устойчивости такой оболочки в линейной постановке. Если круговая оболочка подвергается действию внутреннего давления q и изгиб её отсутствует, то при Qx = Qy = О, напряжение вдоль дуги равно ay=q-R/h. Таким образом, действие поперечной нагрузки q эквивалентно действию растягивающих напряжений -py=q-R/h. Следовательно, можно воспользоваться однородным уравнением (13.17), применительно к рассматриваемому случаю действия равномерно распределённой поперечной нагрузки [25]:
Производственная проверка вакуумного насоса перистальтического типа
Испытание и проверка опытного образца вакуумного насоса перистальтического типа в составе малогабаритной доильной установки проводилась в условиях животноводческого объекта п. Экспериментальный Зерноградского района Ростовской области. Испытания экспериментального насоса осуществлялись в разное время года. Это необходимо было для того, чтобы выявить дальнейшие пути совершенствования конструкции.
Производственная проверка опытного образца вакуумного насоса перистальтического типа проводилась с целью оценки стабильности вакуумного режима передвижного доильного агрегата АИД-1 и внешних характеристик экспериментального насоса в сравнении с насосом НВ-12-10-20СБ доильного агрегата АИД-2. В ходе производственной проверки экспериментального насоса было выявлено влияние его производительности на стабильность вакуумного режима доильного агрегата АИД-1.
Для опытов были отобраны 12 коров красной степной породы с живым весом в пределах 480…550 кг и годовым удоем 4000…4500 кг в год. Лактация коров была в пределах второй – пятой. Содержание коров – стойловое с установившемся доением на доильной установке АД-100 А со сбором молока в доильные ведра.
Для перехода на доение опытным и заводскими индивидуальными агрегатами устанавливался переходной период для приучения коров к работе этих агрегатов. Переходный период составлял 10 дней. Учётный период измерения показателей работы вакуумных насосов и агрегатов был принят равным также 10 дням.
При переходе от одного доильного аппарата к другому для устранения отрицательной реакции коров на новую машину устанавливался переходный период длительностью в десять дней. Учетный период доения коров каждым образцом аппарата в составе АИД-1 принимался равным десяти дням.
Во время подготовительного периода производилось приучение коров к доению новым доильным аппаратом и освоение доярками конструкции этих аппаратов и правил работы с ними.
Во время исследования работы насосов в составе доильных агрегатов выдерживались следующие основные положения методики: 1. Доение коров и группе производилось в одной и той же последовательности. Сосковая резина для каждого доильного аппарата отбиралась одинаковой по толщине стенок, качеству, диаметру присоскового кольца, длине рабочей части и т. и. и сменялась еженедельно. Натяжение сосковой резины в корпусе стаканов было одинаковым. 2. Глубина вакуума доильных установках поддерживалась постоянной, для чего к одному вакуум-насосу подключался только один доильный аппарат. 3. Длительность тактов используемых в опытах доильных аппаратов определялась в лабораторных условиях по известным методикам [5]. 4. Перед дойкой вымя обмывали теплой водой (40-45) из отдельного ведра, после чего сразу же обтирали насухо полотенцем. 5. Разрыв по времени между обмыванием вымени и установкой доильных стаканов на соски не превышал 30 сек. 6. Массаж вымени в процессе доения исключался. Он производился до доения и во время машинного додаивания. 7. За начало доения коровы принимался момент после надевания четвертого доильного стакана. Длительность доения каждой коровы отсчитывалась по секундомеру с точностью до 5 сек. Конец доения определялся визуально через прозрачные чашечки доильных стаканов и прозрачное ведро, в которое собиралось молоко. 8. Ручное додаивание производилось не позже, чем через одну минуту после выключения аппарата. Количество молока, полученного после ручного додаивания, измерялось при помощи стеклянной мензурки. 9. Кормление коров в период исследования доильных агрегатов с усовершенствованным насосом осуществлялось согласно рационам и способам кормления, принятым в хозяйстве.
Во время исследований производился периодический осмотр зоотехником состояния вымени коров опытной группы с целью выявления влияния до 101 ильных аппаратов в составе АИД-1, оборудованного шланговым насосом, на организм животного. При этом устанавливался характер поведения животного при доении аппаратом, патологическое изменение сосков и вымени коровы, влияние создаваемого насосом шума на животных.
Для определения скорости доения использовалась тензометрическая аппаратура. Для этого в прозрачном доильном ведре 8 (рисунок 4.9) был установлен длинный тонкий поплавок 9, ось 10 которого закреплялась в нижней крышке 11 подвижно, на штыре, а в верхней 6 - жестко к тензометрической балочке 4, равного сопротивления. Обе крышки доильного ведра прижимались к ведру через прокладки длинными шпильками. На верхней крышке была смонтирована коробка 3, в которой заключена тензометрическая балочка с наклеенными на нее тензосопротив-лениями 7. Они были соединены в полумостовую схему и имели вилку 5 для подключения кабеля, подводящего сигнал от датчика к усилителю 8-АНЧ-7М. Регистрация сигналов осуществлялась на бумажную ленту осциллографа Н-105. На крышке имелись патрубки 2 и 1 для подключения к вакуум-проводу и для соединения молочным шлангом ведра с коллектором.
На нижней крышке была закреплена плита со сферическим шарниром 13, что позволило доильное ведро устанавливать при доении строго вертикально на опорном круге 14. Для этой цели ведро было оборудовано отвесом. Патрубок 12 служил для откачки молока из ведра в конце доения в общую емкость. На шланге, соединенном с этим патрубком, устанавливался кран в виде пружинного зажима. При доении коровы осциллограф включался в работу при низких скоростях движения ленты. Молоко от коллектора поступало в ведро. При этом специальный отражатель препятствовал попаданию его на поплавок. По мере поступления молока в ведро сила, действующая на поплавок вверх, увеличивалась. Эта сила передавалась на тензобалочку, ток от которой снимался измерительной аппаратурой.
Схема измерения количества надоенного молока Такое устройство позволило регистрировать в процессе доения количество выдоенного молока аппаратом в течение всего времени доения, что служило основой для определения скорости доения аппаратом в любой промежуток времени. Ошибка не превышала ±4%. Ведро имело шкалу объема с ценой деления 0,1 л, что облегчало процесс тарировки тензозвена и регистрацию общего надоя от одной коровы.
В результате исследований и обработки опытных данных установлено, что скорость доения доильными аппаратами в составе АИД с экспериментальным насосом в различный промежуток времени доения была различной. На рисунке 4.10 изображена зависимость скорости доения аппаратами ДА-2М и «Волга», имеющими различный принцип работы, от времени доения коров с разовым удоем 4-5 л. Данные этого графика показывают, что характер и темп доения коровы агрегатом, в состав которого входит экспериментальный вакуумный насос шлангового типа, практически не изменяется в сравнении с серийными доильными установками [5]. Также как и на серийных доильных установках, в опытном доильном агрегате имеется примерно 50 - ти секундный период выхода доильных аппаратов на максимальную скорость доения, падение этой скорости примерно через 4 минуты до 0,5 л/мин и выход на машинный додой.