Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований... 8
1.1. Анализ технических решений, применяемых в доильных установках для контроля молокоотдачи, учета надоев молока и разработка классификации этих устройств 8
1.2. Цель и задачи исследования 40
2. Обоснование конструктивной схемы и основных параметров счетчика молока 42
2.1. Разработка конструктивной схемы счетчика молока 42
2.2. Разработка и обоснование конструкции измерительной камеры 44
2.3. Разработка и обоснование конструкции сепарирующей емкости 57
Выводы 64
3. Программа и методика экспериментальных исследований счетчика молока 66
3.1. Программа экспериментальных исследований счетчика молока 66
3.2. Методика определения характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере 70
3.3. Методика определения харакгера зависимости расхода жидкости из камеры параболической формы от уровня жидкости в камере 73
3.4. Методика определения характера зависимости расхода жидкости из камеры параболической формы от массы жидкости в камере 75
3.5. Методика исследований по оптимизации конструктивных параметров счетчика молока 78
4. Результаты экспериментальных исследований счетчика молока 83
4.1. Результаты исследований по определению характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере 83
4.2. Результаты исследований по определению характера зависимости расхода жидкости из камеры параболической формы от уровня жидкости в камере 88
4.3. Результаты исследований по определению характера зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от массы жидкости в камере 92
4.4. Результаты исследований по оптимизации конструктивных параметров счетчика молока 96
Выводы 100
5. Производственная проверка счетчика молока 103
5.1. Условия проверки на производстве 103
5.2. Методика проверки в производственных условиях 104
5.3. Результаты проверки в производственных условиях 105
5.4. Экономические показатели результатов исследования 106
Выводы 109
Общие выводы и предложения 110
Литература 112
Приложения 125
- Анализ технических решений, применяемых в доильных установках для контроля молокоотдачи, учета надоев молока и разработка классификации этих устройств
- Разработка конструктивной схемы счетчика молока
- Методика определения характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере
- Результаты исследований по определению характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере
Введение к работе
В настоящее время, в связи с возрастанием уровня технической оснащенности молочно-товарных ферм, когда контроль за процессом молоковы-ведения составляет неотъемлемую часть организации и нормального функционирования производства, возникает задача в создании более совершенных счетчиков молока для доильных установок.
Появление автоматов доения, для работы которых необходимы датчики контролируемых параметров, ставят перед разработчиками задачи, связанные с разработкой счетчиков молока, позволяющих настраивать режим работы доильного аппарата адекватно физиологическому состоянию животного.
Кроме того, получение максимума информации о процессе молоковы-ведения, необходимо инженерам при разработке и испытаниях новой техники, селекционерам для ведения племенного отбора скота, а операторам машинного доения важно знать не только, сколько молока отдает корова, но и как она его отдает.
Поэтому вопрос разработки счетчика молока остается в настоящее время актуальным и решению которого посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная в соответствии с целевой комплексной программой научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия» (номер государственной регистрации 01200956440).
Цель исследований. Повышение эффективности учета молока при машинном доении коров путем разработки конструктивной схемы счетчика молока с более высокими метрологическими характеристиками.
Объект исследований. Рабочий процесс счетчика молока.
Предмет исследований. Закономерность изменения метрологических
характеристик счетчика молока в зависимости от конструктивных параметров устройства.
Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось на основе математического моделирования, с использованием методов математической статистики. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и экспериментальном образце счетчика молока, с применением аналогово-цифрового преобразователя и ПЭВМ. Данные теоретических и экспериментальных исследований обрабатывались на персональном компьютере.
Научную новизну составляют:
конструктивно-технологическая схема счётчика молока с подвижной измерительной камерой (патент № 2264086);
аналитические зависимости для расчета параметров счетчика молока обеспечивающих его работоспособность;
математические модели рабочего процесса счетчика молока.
Практическая ценность работы заключается в разработке конструкции и обосновании оптимальных параметров счетчика молока с подвижной измерительной камерой и сепарирующей емкостью, имеющего более высокие метрологические характеристики, чем серийно выпускаемые устройства.
Реализация результатов исследований. На основании результатов проведенных исследований изготовлен опытный образец счетчика молока. Разработанный опытный образец, с положительным эффектом внедрен в ЗАО «Белгородская молочная компания», ЗАО «Знамя» Белгородского района и ООО «Молоко» Краснояружского района Белгородской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на VII, VIII, XI, XII научно-производственных конференциях «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород 2003 - 2008 г.г.), на XI международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве — ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники» (Москва - Подольск ВНИИМЖ 2008 г.), на XIV меж-
дународном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Углич 2008 г.).
Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Техническая новизна работы подтверждена наличием патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 124 стр. машинописного текста, включая список литературы из 138 наименований (в том числе 8 на иностранных языках), содержит 5 таблиц, 38 рисунков и 24 приложения. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 182 стр.
Анализ технических решений, применяемых в доильных установках для контроля молокоотдачи, учета надоев молока и разработка классификации этих устройств
Измерения расхода различных веществ необходимы во всех отраслях народного хозяйства. Без них невозможно как управление важнейшими технологическими процессами, так и автоматизация последних. Очень большое значение эти измерения имеют также для целей учета и, кроме того, при решении многих задач, выдвигаемых современной наукой и техникой [1].
При измерениях, связанных с учетом жидкостей, газов и пара, приходится определять количество вещества, протекшего через сечение трубы или прибор за какой-то промежуток времени, или расход вещества, протекающего в единицу времени. Счетчики и расходомеры иногда бывают объединены в общую конструкцию. Расходомер может быть снабжен особым механизмом — интегратором, по показаниям, которого количество измеряемого вещества определяется за какой-либо промежуток времени, а счетчик - указателем, показывающим и записывающим расход измеряемого вещества в единицу времени [2].
Анализ устройств для измерения количества газа и пара показал, что ни один из известных классов учетных приборов не пригоден для использования в поточно-технологической линии (ПТЛ) доения в связи с особыми условиями. К этим условиям относятся: наличие двухфазных потоков жидкость-воздух с относительно большим газосодержанием и удельной поверхностью раздела фаз при пониженном давлении по сравнению с нормальным атмосферным; случайный характер изменения расхода жидкости и воздуха в молоко-проводе; ярко выраженный неустановившийся режим движения жидкости и воздуха. Этот режим наблюдается при эвакуации молока от коллектора доильного аппарата в молокопровод, а также при течении молока по молокопроводу; нестационарный режим теплообменных процессов в связи со случайным изменением количества поступающего молока; интенсивное многократное механическое воздействие на молоко, сопровождающееся пенообразованием, соударением отдельных порций молока, ударами струй молока о твердые поверхности, барботажем молока воздухом, подсасыванием воздуха через неплотности молокопровода; наличие в молочной линии участков, где наблюдается резкое возрастание скоростей, ускорений [3,4,5,6]; наличие в жидкой фазе (молоке) механических примесей, наличие комочков молочного жира при его сбивании, наличие слизи и маститных сгустков; плотностная неоднородность молока, зависящая как от физико-механических свойств молока, так и от конструктивных особенностей моло-котранспортных коммуникаций доильных установок [7,8]. Учет количества надоенного молока, имеет большое значение по нескольким причинам. Первая - все возрастающий уровень технической оснащенности молочно-товарных ферм, когда контроль за процессом молокоот-дачи составляет неотъемлемую часть организации и нормального функционирования производства. Вторая связана с вопросом получения максимума информации о процессе молокоотдачи, что необходимо инженерам при разработке и испытаниях новой техники, а селекционерам для ведения племенного отбора скота. Третья причина вызвана ростом квалификации оператора машинного доения, для которого в момент контакта с животным важно знать не только, сколько молока отдает корова, но и как она его отдает. И, наконец, четвертая причина, которая объясняется появлением автоматов доения обладающих обратной связью между биологическим объектом и машиной, для работы которых необходимы датчики контролируемых параметров [9]. Таковыми, как правило, являются счетчики молока, позволяющие настраивать режим работы доильного аппарата адекватно физиологическому состоянию животного. [10,11,12]. Важнейшим направлением в совершенствовании процесса доения является приспосабливание доильной машины к изменчивым индивидуальным параметрам животных, иными словами наличие обратной связи между биологическим объектом и машиной. Основная характеристика животного — это интенсивность молокоотдачи, поэтому доильный аппарат должен реагировать прежде всего на изменение этого показателя [9]. В нашей стране и за рубежом известен целый ряд устройств для контроля скорости молокоотдачи коров, измерителей и счетчиков молока. Однако они не в полной мере выявляют характер процесса выведения молока из вымени, так как дают усредненный результат измерений за определенный промежуток времени или дают результат с большой погрешностью. Большинство из них периодически накапливают небольшие, фиксированные по объему или массе, порции молока. При этом, после каждой отмеренной порции, счетчик получает приращение. Его показания в конце дойки являются мерой удоя. Объемные счетчики работают по принципу заполнения молоком определенного мерного объема. В основу работы массового счетчика положен принцип взвешивания сосуда. Этот способ, на первый взгляд, может показаться не совсем приемлемым. На самом же деле такой способ измерения, при использовании надлежащей конструкции оказывается более удобным. Его преимущество заключается в получении результатов измерения удоев в более предпочтительном параметре измерения - массе. Объемные же измерения менее желательны из-за зависимости объема молока от плотности и температуры [13]. В последнее время появились встроенные в молочный шланг или ручку доильного аппарата малогабаритные потокомеры, как правило, электродного типа, позволяющие напрямую измерять двухфазный молоковоздушный поток, поступающий от доильного аппарата. Их достоинство — малые габаритные размеры, что дает возможность эффективного их применения для автоматизированного доения животных на доильных установках с молокопроводом при стойловом содержании, где этот показатель является одним из главных критериев. К недостаткам подобных устройств относится сравнительно высокая погрешность при использовании электрофизических методов измерений двухфазного потока. При этом основная погрешность предопределяется самим потоком молока, нестационарным с разрывами сплошности, представляет сложную научно-техническую проблему и требует дальнейшего изучения [9].
Большое разнообразие устройств для измерения интенсивности молоко-отдачи и счетчиков молока связано с поиском оптимального конструктивно-технологического решения, наиболее полно отвечающего предъявляемым требованиям к устройствам такого типа.
В результате проведенного анализа отечественных и зарубежных измерителей и счетчиков молока нами предложена классификация этих устройств по ряду признаков (рисунок 1.1).
Предложенная классификация позволяет выявить общие направления в создании измерительных устройств для молока, характерные признаки этих устройств, найти путь для более эффективного использования, а также определить их оптимальную конструкции 14].
Разработка конструктивной схемы счетчика молока
При измерении расхода многофазных сред возникают дополнительные трудности, связанные с негомогенностью состава смеси, различием скоростей отдельных фаз, а также их концентрацией и структурой, которые отсутствуют при измерении расхода однофазных веществ. В ряде случаев задача измерения расхода многофазных сред решается на основе применения некоторых методов и приборов, разработанных для измерения расхода однофазных сред, но с обязательным учетом специфики и характеристики измеряемого вещества [1].
На основе проведенного патентного поиска и анализа конструктивных схем устройств для учета количества молока и других многофазных сред, с учетом отмеченных особенностей, мы пришли к выводу, что для измерения количества молока при доении, наиболее приемлемым является массовый метод с тензометрическим элементом взаимодействия. Поэтому нами разработано и запатентовано устройство для учета количества надоенного молока (рисунок 2.1), состоящее из цилиндрического корпуса 1, входной части в виде сепарирующей емкости 2 конусообразной формы и подвижной измерительной камеры 3 параболической формы (приложение В) [111]. Последняя, посредством стержня 4, проходящего через сильфонное уплотнение 5, связана с тензорезисторным преобразователем 6.
Сепарирующая емкость 2 выполнена конусообразной формы и в нижней части снабжена гидравлическим затвором с подвижной перегородкой 7. Подвижная измерительная камера 3 параболической формы, в торцевой части которой выполнена щель истечения 8 в виде прямоугольника.
Форма выполнения камеры и щели обеспечивает линейную зависимость между массовым расходом и массой молока в камере. Входной патрубок 9 расположен тангенциально к стенке сепарирующей емкости 2 конусообразной формы. В верхней части сепарирующей емкости 2 установлена газоотводная трубка 10. Для управления перегородкой 7 предусмотрена ручка 11. Измерительная камера 3 параболической формы закреплена на подвесной опоре 12. В нижней части сепарирующей емкости 2 конусообразной формы установлен выходной патрубок 13. Для сведения до минимума погрешности измерения, связанной с воздействием струи на подвижную камеру, выходной патрубок 13 сепарирующей емкости 2 конусообразной формы установлен над подвесной опорой 12. Выходной патрубок 14 установлен в нижней части корпуса 1. Счетное устройство 15 оборудовано датчиком в виде тензорези-сторного преобразователя 6.
В процессе доения молоко через входной патрубок 9 тангенциально подают в сепарирующую емкость 2 конусообразной формы, в результате чего смесь молока и воздуха перемещается по стенке сепарирующей емкости 2. Траектория движения имеет форму спирали. Действие центробежной силы разделяет молоко и воздух, который через отводную трубку 10 выводят из емкости. Для более полного отделения воздуха применяют гидравлический затвор с подвижной перегородкой 7. После отделения воздуха молоко подают в подвижную измерительную камеру 3 параболической формы. Массу камеры 3 с помощью стержня 4 регистрируют тензорезисторным преобразователем 6, связанным со счетным устройством 15 [111].
Методика определения характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере
Основными конструктивными элементами предлагаемого нами счетчика молока являются сепарирующая емкость и измерительная камера. Проведенные теоретические исследования показывают, что для получения оптимальных метрологических характеристик счетчика необходимо добиться линейной зависимости между расходом жидкости из измерительной камеры и массой жидкости в камере.
Теоретически было доказано, что зависимость расхода жидкости из камеры произвольной формы через боковую щель от уровня жидкости в камере имеет нелинейный характер. Причем характер зависимости определяет профиль измерительной камеры. Согласно теоретическим исследованиям для получения линейной связи между расходом через боковую щель прямоугольной формы и массой жидкости в измерительной камере необходимо, чтобы измерительная камера имела параболическую форму.
Исходя из этого, в задачу экспериментальных исследований счетчика молока входила проверка теоретических положений, представленных во второй главе; определение оптимальных значений коэффициентов расхода; оптимизация конструктивно-режимных параметров счетчика молока.
В соответствии с поставленной задачей работа выполнялась по следующей программе: разработка конструктивно-технологической схемы стенда для определения зависимости расхода жидкости из измерительной камеры от уровня жидкости в камере; разработка конструктивно-технологической схемы стенда для определения зависимости расхода жидкости из измерительной камеры от массы жидкости в камере; определение характера зависимости расхода жидкости из измерительной камеры произвольной формы от уровня жидкости в камере; определение характера зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от уровня жидкости в камере; определение характера зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от массы жидкости в камере; определение оптимальных значений коэффициентов расхода; определение оптимальных конструктивных параметров счетчика молока. Согласно программе исследований, на основании предложенной конструкции счетчика молока, теоретического обоснования конструктивных параметров был изготовлен лабораторный макет счетчика молока (рисунок 3.2), схема которого приведена на рисунке 3.1. Испытания проводились с использованием тензометрического оборудования. В качестве упругого чувствительного элемента использовали тензодатчик (рисунок 3.3) состоящий из упругой балки 4 с закрепленными непосредственно на поверхности тензоризисторами, которая связана жестким стержнем 2 с измерительной камерой. Пропорциональная гидростатическому давлению деформация воспринимается тензорезисторами, включенными в мостовую схему (рисунок 3.4), причем два резистора работают на растяжение, а два других - на сжатие. Усилителем 1 выходной сигнал усиливается и поступает на цифровое табло 2 указателя. Одновременно происходит преобразование в аналоговый сигнал, который поступает на АЦП и после преобразования обрабатывается ПЭВМ.
В качестве исследуемой жидкости использовали заменитель молока [119]. Эта модельная жидкость по вязкости, плотности, поверхностному натяжению, образованию осадка и консистенции при температуре +20С соответствует физико-механическим свойствам молока при температуре 37 С. В состав этого имитатора молока входят: глицерин - 11,4%; спирт этиловый 69 3,9%; жидкое стекло — 0,8%; натрий хлористый — 0,7%; синтетический поро-шок стиральный - 0,3%; вода - 82,9%. Плотность такого состава 1,03 г/см , пенообразующая способность такая же, как и у молока [119].
Жидкость в измерительную камеру подавали с постоянной скоростью. При этом использовали емкость объемом 100 литров в которой был вмонтирован кран у дна. Согласно формулы Торричелли, при небольших расходах жидкости из такой емкости, скорость ее вытекания можно считать постоянной [120].
В измерительной камере устанавливали динамическое равновесие. При этом количество втекающей жидкости было равно количеству вытекающей жидкости. Уровень жидкости в измерительной камере определяли мерной шкалой с точностью измерения ± 1 мм. Накопительная емкость собирала жидкость, вытекающую из боковой щели измерительной камеры. В качестве накопительной емкости использовались электронные весы Vinzer (max 5 kg, div 2 g), сопряженные с аналогово-цифровым преобразователем. Сигнал с АЦП подавался на ПЭВМ и обрабатывался программой PC Lab2000.
Из резервуара жидкость подавали в измерительную камеру прямоугольной формы. После установления динамического равновесия в измерительной камере, жидкость подавали в накопительную емкость, связанную посредством АЦП Velleman PCS 500 с ПЭВМ. Одновременно на панели инструментов программы PC Lab2000 включали кнопку «start». После запуска про 72 грамма регистрировала изменение выходного аналогового сигнала (U, мВ), подаваемого с электронных весов Vinzer через АЦП Velleman PCS 500 на ПЭВМ. Зависимость массы жидкости в накопительной емкости от электрического напряжения определяли с помощью тарировочной кривой. Тарирование накопительной емкости производили путем сопоставления показаний электронных весов Vinzer (max 5 kg, div 2 g) и соответствующего выходного аналогового сигнала. Тарировочный график представлен на рисунке 3.7.
Результаты исследований по определению характера зависимости расхода жидкости из камеры прямоугольной формы от уровня жидкости в камере
Исследования по определению зависимости расхода жидкости из камеры параболической формы от массы жидкости в камере проводили в соответствии с методикой, изложенной в разделе 3.3. Для различных уровней жидкости в измерительной камере параболической формы определены значения электрического напряжения, пропорционального массе жидкости в измерительной камере. По изменению электрического напряжения, подаваемого с аналогового выхода накопительной емкости, определены значения расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы при различных уровнях жидкости, для щелей шириной 1 мм, 1,5 мм, 2 мм (приложение Т).
Результаты эксперимента были подвергнуты регрессионному анализу в Microsoft Excel 2003 (приложение У). Анализ данных производился с помощью модуля StatPlus V2.5 и с использованием рекомендаций изложенных в руководстве по использованию данной программы [126]. Получено уравнение зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от электрического напряжения, пропорционального массе жидкости в измерительной камере при различной ширине щели истечения:
Величина достоверности аппроксимации R = 0,999, что свидетельствует о высокой тесноте связи экспериментальных данных и полученного уравнения регрессии (приложение У). Поверхность, построенная по уравнению (4.8), представлена на рисунке 4.7.
Используя зависимость т = f(U) (тарировочный график измерительной камеры, рисунок 3.13), определили зависимость расхода жидкости из измерительной камеры от массы жидкости в измерительной камере параболической формы. Результаты эксперимента были подвергнуты регрессионному анализу в Microsoft Excel 2003 (приложение Ф). Получено уравнение зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от массы жидкости в камере при различной ширине щели истечения:
Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,999, что свидетельствует о высокой тесноте связи экспериментальных данных и полученного уравнения регрессии (приложение Ф). Поверхность, построенная по уравнению (4.9), представлена на рисунке 4.8.
По данным эксперимента и используя уравнение (2.16), построили теоретические и экспериментальные зависимости расхода жидкости из измерительной камеры параболической формы от массы жидкости в измерительной камере (рисунок 4.9)
Для оценки степени связи между теоретическими и экспериментальными значениями используем методику корреляционного анализа [127, 128, 129]. Результаты корреляционного анализа приведены в приложении X. Анализ полученных результатов показывает, что теоретические предпосылки хорошо согласуются с экспериментальными данными. Рассчитанные значение критерия Стьюдента оказались равными 85,1997...87,2762, что значительно превосходит табличное значение =3,17 для 1% уровня значимости [129]. Полученное значение коэффициента корреляции равное 0,999 говорит о высокой степени связи теоретических и экспериментальных данных.
