Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с управляемым режимом доения коров Прокофьев, Валерий Васильевич

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время в России доение более 80 % коров осуществляют на-линейных доильных установках со сбором молока в доильные ведра піні, молокопровод. Однако, использование переносных доильных аппаратов "ставит перед животноводами

проблему заболеваемости коров маститом, так как существующее в настоящее время оборудование не позволяет вести контроль за режимом доения. Современные'конструкції]] доильных аппаратов, типа

: АДУ-К АДУ-1-03 и трехтактный "Волга"., рассчитаны, прежде всего, на "среднее" животное и предъявляют довольно высокие требования

К НИМ. .. :''.-..'.''.'.

Повышение молочной продуктивности коров возможно путем использования доильного оборудования.' наиболее полно отвечающего физиологии животных.'Особую'значимость этот вопрос приобретает в период раздоя первотелок. Это связано с тем. что большинство их обладают неравномерностью 'развития долей вымени, что приводит к "холостому** доению одии.ч и недодом других сосков. Следствием этого, как правило, является торможение процесса молоковыведення и заболеваемость животных маститом, что может привести к повторному заболеванию молочной железы и преждевременной выбраковке животных.

Известно, что серийно выпускаемые доильные аппараты для животных с продуктивностью 3000...3500 кг молока за лактацию и интенсивностью потока молока 1.2... 1.4 кг/мин, не обеспечивают стабильность вакуума в подсосковой камере доильного стакана.

Отклонения режима доения коров от оптимального не позволяют в ..полной мере реализовать потенциальные возможности первотелок. Поэтому вопрос разработки доильного аппарата с управляемым режимом досиня остается открытым на сеголняшииП лень и требует своего решения.

Решению перечисленных вопросов посвяшена настоящая диссертационная работа, выполненная' в соответствии с целевой комплексной

программой научно исследовательских работ Белгородской государственной сельскохозяйственной академии (номер государственной регистрации 01860125985).

Цель работы. Повышение эффективности машинного доения коров на основе создания доильного аппарата с управляемым режимом доения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

обосновать конструктивно-технологическую схему доильного аппарата с управляемым режимом доения;

обосновать конструктивно-режимные параметры доильного аппарата, содержащего мембранно-клапанный механизм для управления режимом доения;

разработать методику инженерного расчета доильного аппарата с управляемым режимом доения;

Объект исследований. Рабочий процесс доильного аппарата с мембранно-клапаниым механизмом для управления процессом доения. Научную новизну работы составляют:

обоснование направления в создании доильных аппаратов с управляемым режимом доения;

теоретические модели рабочего процесса доильного аппарата с управляемым режимом доения;

конструкция доильного аппарата, содержащего мембранно-клапанный механизм управления режимом доения (патент №2032323; заявка №96105753/13);

- результаты лабораторных н производственных испытаний.
Практическая ценность:

- использование предложенного доильного аппарата с управляе
мым режимом доения позволяет повысить эффективность дое
ния коров, а также снизить затраты ручного труда;

- результаты исследований, а также техническая документация па доильный аппарат могут быть использованы ГСКБ, ироект-по-конструкторскимн организациями для разработки перспективных конструкций доильных устройств

Реализация результатов исследований. По результатам исследований подготовлено учебное пособие "Доильные аппараты с управляемым режимом" и рекомендации.

Доильные аппараты с управляемым режимом доения с положн-іелмімм эффектом внедрены в ряде хозяйств Белгородской области (ЛО закрытом! гпна "Победа", опытно - производственное хозяіісіііо '"be.и ородское"). а также в ЛО закрытого типа "Волга-Сервис" г. Ярославль.

Апробации. Основные положения диссертации были доложены и одобрены па пл\чно-практичееких конференциях молодых ученых и специалист» белгородской ГСХЛ (Белгород 1995. 1996. 1997г.). на Всероссийской научной конференции студенти инженерных факультети аграрных ВУЗов России (Санкт-Петербург. 1995г.). VIII (I Всероссийский) симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных живо і пых (Оренбург. 30 мая-1 июня 1995 г.).

ІЬб.іііісацчіі. По маїериа.іам диссертации опубликовано восемь рлбої. в том числе одно учебное пособие. Получен один патент и одно положительное решение на изобретение.

Обт.ом работы. Диссертация изложена на 173 машинописных сі ранииах. включая список литераторы из 130 наименований (в том числе 28 на иностранных языках), содержит 29~ рисунков. 3 таблицы п 17 приложений.

соді: РЖА н и к гд коты

К нерпой г.іаис обоснована актуальное!!» темы, указана цель ра-боїьі. вы іекаїошпс ні нее задачи и країно изложены положения харзк-і ери iv іоіиііе нос;-' а"

Во второй главе "СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИИ II МЕХАНИЗАЦИИ ДОЕНИЯ КОРОВ" систематизированы результаты исследований и известные технические решения.

Значительный вклад -в развитие научных концепций повышения эффективности машинного доения коров сделан исследованиями известных ученых (Е;И. Админ, И.Л. Аллабердин, Й.Г. Велиток, Ф.Л. Гарькавый, М.Л..Гордиевских,/А,И. Зеленцов, С.Г. Пнщан, Л.П. Кар-ташов, Э.А. Келпис, Э.П. Кокорина, С.В.' Мельников, В.С: Мельников, П.И. Огородников, Н.А. Петухов,. С.А. Соловьев, Ю.А. Цой н др.).

Доение коров в родильных залах и цехах раздоя осуществляется на линейных доильных установках переносными доильными аппаратами со сбором молока в ведро, реже - в модокопровод. "

Машинное доение новотельных коров требует очень шшматель-
ного отношения, подготовки вымени, а также строгого соблюдения
правил машинного доения. Отклонение от технологических норм и
правил эксплуатации доильного оборудования приводит к нарушению
функции молочной железы и заболеванию вымени маститом. Поэгому к
животным при машинном доении предъявляются довольно жесткие
требования; в частности к морфофункциоиалышм свойствам их выме
ни. Одним из этих требований является равномерность развития их
четвертей. ..\^:-;'-_' ..'..-'.'

Проведенный анализ результатов научных исследований позволил установить один из путей повышения эффективности машинного доения коров - создание доильного аппарата с управляемым режимом доения по каждой доле вымени:

В третьей гласе "РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДОИЛЬНОГО
АППАРАТА С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЖИМОМ ДОЕНИЯ" приведена схе
ма доильного аппарата и его рабочий процесс; "';,

При создании доильного аппарата с управляемым режимом доения учитывалась необходимость управлення вакуумным режимом доения коров. На рис.. 1 изображена*его схема.- .

Рис. 1 Схема доильного аппарата'.

1 - доильные стаканы; 2 - коллектор; 3 -управляющая камера; 4 - дополнительная камера; 5 - конусный клапан; 6 - молочная камера; 7 -камера переменного вакуума.

Аппарат содержит четыре доильных стакана и коллектор с четырьмя регуляторам» пакуума, лыполпсииымл.в виде управляющей и дополнительной камер,"разделенных мембраной.

Регулирование пакуума доения, rip и іимснеини интенсивности потока молока, осуществляется путем перемещения конусного клапана под иочденствне.м мембраны.

В ЧЄТШ.ЧГЮІІ г.чапс «ТЕОРИЯ ДОИЛМІОГО АППАРАТА С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЖИМОМ ДОЕНИЯ" показано, что на протекание рабочего процесса машинного доения корон плияюг два фактора: один обусловлен .рефлексом молокоотдачи, другой - конструкцией доильного аппарата.

Для определения некоторых конструктивных параметров доильного аппарата, при которых обеспечивается его работоспособность, нами были проведены теоретические исследования.

Для расчета параметров.клапана 1 (Рис. 2) истечение молока будем рассматривать как истечение жидкости через внешний конусный насадок. Скорость истечения, жидкости и расход определяется из общеизвестных выражений.

Рис. 2. Схема мсмбраино-к.'Шіаішого механизма доильного аппарата:

I - конусный клапан, 2 - дно молочной камеры, 3 - мембрана, 4 - управляющая камера, 5 - дросселирующая шайба, 6 - отверстие для поступления воздуха, 7 - калиб"ровапно,е отверстие.

Расход жидкости в сечении 1-1 обозначим (?/, а в сечении 2-2
- Q:- учетом неразрывности потока: ,

Qi = Q:, ' . (і)

-9-Деііствуїошип напор истечения жндкостіг:

#.= + #.. ⁽²⁾

где: Pj - вакуум необходимый для доения, Па; Р_г - вакуум в

вакуумной магистрали, ГТа: п - коэффициент перевода м/Па; Н„ - напор молока, м.

Площадь отверстия S и сечеипп 1-1 будет определятся как площадь кольца с диаметрами D/ и D; (при миксималыюм подьеме клапана):

s ₌ 5L»b!l. (3)

Для изменения режимов работы доильного аппарата в зависимо
сти от интенсивности потока мо.іока клапан 1 перемещается на веди
чній h. равняю: (4)

Л = —-.

где: л- - зазор между стенкой конусного клапана н стенкой полого конуса, м; а - угол конусного клапана.

В іаком случае площадь истечения S/ будет равна:

., _ . ₍₅₎

Отсюда уравнение для определения расхода жидкости Q будет иметь вид:

о^^^І^І^ЙЖ^Щ, , (6)

4 где: // - коэффициент расхода жидкости.

Величина перемещения клапана //, при которой обеспечивается

заданная пропускная способность Q через течь при заданном вакууме

Л;доения:

S,

l\t

l is. |Ц' ч -г -til; w --.- " _r-.--—

V . . wfigil. (7)

Так как клапан жестко сиязац.с мембраной 3, то се прогиб со, должен быть равен перемещению клапана:

o> = h

-D,± ІД² +--42--= . 2/gof

(8)

Прогиб мембраны определяется выражением:

(9)

PR'

~5.86*^J'

где: Р- давление, действующее на мембрану. Па; R - радиус, мембраны, м; Е - модуль упругости, Па: Ъ -толщина мембраны, м.

Давление, действующее на мембрану,'мы-можем вычислить но
формуле: . - -

: . ^р'^р^; '-,: . -, (.о)

где: р - текущее давление в управляющей камере. На.
С учетом равенства прогиба мембраны перемещению клапана по
лучим: '„',-'

-A t-JA + -1V

(И).

5.86А'.

2іца . ;

Величина"-вакуума, при которой будет обеспечена пропускная способность, может быть определена из уравнения (II):

5.86 Eh

2tga

(12)

Г = 1\-

к'

Вакуум р и управляющей камере зависит or параметров каналов л і я огкачииания и поступления воздуха.-

Скорость изменения 'вакуума выправляющей камере реї удя сора

.'.лк>ума paiuu.: .',-"'' - ' ' ''"-..'

' ' ' " ^: - '^lJL'.. г '.' ~'V .''"'. '. . (із)-

-н-

глс: і - время, с; 1\, - атмосферное давление. Па; V₀ - расход от-і.ачпнасмої о воздуха из управляющей камеры, м³/с; V,, - расход поступаем ого воздуха в управляющую камер)', mVc; v„ - объем управляющей камеры, м\

Расход воздуха г'„ из управляющей камери через калиброванное оі.черспіе 7. расположенное и дросселирующей шайбе 5. равен:

128//,/, " <¹⁴>

где: (I; - диамеїр отверстия для откачивания воздуха, м; // - длина канала для о ікачнпанші воздуха, м: Г, - давление в вакуумной магн-еіралп. На: ///- динамическая вязкость воздуха. На-с.

Расход носгунаемого воздуха \'_р п управляющую камеру через отверстие 6 найдем из выражения:

^г і:ад_; " '

где: d; - приведенный' диаметр отверезия для поступления воздуха, м; I; - длина капали для поступления воздуха, м.

В таком случае расчетное время / включения доильного аппарата в стму.піруюіцііії режим работы буде г равно:

^1281-,,//,/,(^.-^/) _d;>

~Y */?/,(/*.-/>) '(/> -Г, ГУ ^,}

,J2bi!d>S!lzMl_lnL±L\- (і?)

Отсюда:

J, ~)j -^!'—--.-"— -^:—In -'---.

¹ . \' ГЛ\\(\'„-І'Л r_x-PJ_

(IS)

а диаметр калиброванного отверстия d_: для впуска воздуха:

^.ЩШЬ&ъЕ^Ц. (19)

² lj aP.lP.-P,) p,-PJ

С учетом времени переключения t, из стимулирующего в номинальный режим;

128//, /,v„ ''; ф

till. Г «Р

(20)

А⁴ рІ(р-Л)'

где: Р_у - давление в управляющей камере. Па.

m^,/,v, PJ-P, ,,..

_0тсюда: ,, ._^..,n-^—. (21)

уточненный диаметр отверстия для откачивания воздуха из управляющей камеры:

І Л», Л-^.- (22)

В пятой главе "ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА" приведены методики и результаты экспериментальной проверки разработанных нами теоретических положений, а такж.е методика инженерного расчета для определения основных конструктивных параметров мембранно-клапалного механизма доильного аппарата.

Проведение теоретические исследования свидетельствуют о том. что одним нз наиболее важных условий, предусматривающих работоспособность доильного аппарата, является поддержание необходимого давления в управляющих камерах регуляторов вакуума, при которых обеспечивается заданный вакуум доения в подсосковых н меас-с генных камерах доильных стаканов.

Теоретически было доказано, что вакуум доения зависит от параметров мембраны, а также вакуума в управляющей камере, регу.здто-

ра вакуума(12), который, в свою очередь, зависит от размеров отверстии в ней для отсоси (18, 22) и поступления (19) воздуха.

В задачу экспериментальных исследований доильного аппарата входила проверка теоретических положений.

В соответствии с поставленной задачей работа выполнялась по следующей программе:

определение зависимости вакуума доения от изменения давления в управляющей камере;

определение пропускной способности конусного клапана в зависимости от его конструктивных параметров;

разработка методики инженерного расчета регулятора вакуума доильного аппарата:

Согласно программе исследований, на основании предложенной конструкции лонлыюго аппарата, а также теоретического обоснования конструктивных параметров, нами был изготовлен его опытный образец.

Испытания аппарата вели с использованием тензометрнческого оборудования. Для этого были разработаны стенды и лабораторные установки.

Обработку результатов исследований вели с использованием ПЭВМ IBM 80486DX2 методом варкацисиной статистики, а также регрессионного и корреляционного анализа.

В результате обработки осциллограмм изменения вакуума в камере переменного вакуума регулятора, нами установлен характер зависимости вакуума в камере переменного вакуума от давления в управляющей камере (Рис. 3). Данная зависимость достаточно точно описывается полиномом третьего порядка и имеет вид:

Г=-14.2910б + 1,61094Х-0,0055бХ^!-0,000026Х³ , (23)

где: Х- вакуум в управляющей камере, Па; Y - вакуум доения, Па.

При построении теоретической зависимости вакуума догі:;;.і. ur вакуума в управляющей камере (12) мы использовали H'Ji.v.l їГіМ 80486DX2. Расчеты вели по разработанной нами программе.

Pd. кПа.

Ру. кПа.

І—— Теоротич. -с—Зксперим.І

Рис.З. Зависимость вакуума доения от вакуума в '...., ..управляющей камере ' ,

Методом дисперсионного анализа по критерию Фишера проверялась адекватность теоретических и экспериментальных зависимостей

данных..'; -^: ..',''..'" ..;';. ,0- .^:. ':.'.':':':';' ''/:.': :"..

Вычислениями установлено, что различие между теоретическими
и экспериментальными данными .недостоверно. Установлено, что при
табличном значении критерия Фишера, равном 3,83, фактическое зна
чение составило 1, 51. - ." _; "''/,' ^V:f-J _f /;.';'' -''..'.:'". "?..-/ . "^;. '" ;'.
"-'' Результаты исследований по определению пропускной способно
сти конусного клапана проводили для конусных клапанов с различны-
ми конструктивными параметрами при различных уровнях жидкости.
Установлено, что данная, зависимость достаточно точно описывается -
полиномами третьего порядка, представленными е таблице..

Таблица

'ечультаты исследовании зависимости пропускной способности конусного клапана от его конструктивных параметров и уровня жидкости над ним.

""7"

12 7~

To"

_..7JL

Оксшчание табл.

Здесь X - высота подъема кошеного клапана относительно дна

емкости, м 10"³, Y - расход жидкости м³/с.

Графическое представление,этих зависимостей показано рис.4 (а,б,в,г) и рис.5 (д,е,ж,з,и).