Содержание к диссертации
Введение
Аналитическая интерпретация литературных данных 8
Анализ существующих методов испытания доильных аппаратов 8
Анализ оборудования для испытаний доильной техники и тенденции его развития 17
Определение имитируемых параметров стенда для испытания доильных аппаратов 25
Эффективность роботизации системы доения коров 32
Выводы 36
Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров испытательного стенда для доильных аппаратов 37
Модель выведения молока из вымени 37
Расчет параметров блока имитации интенсивности молокоотдачи 41
Расчет параметров блока имитации внутривыменного давления 45
Определение конструктивно - технологических параметров искусственного соска 48
Расчет воздействия сосковой резины на сосок 48
Расчет имитатора упругости соска 52
Методика инженерного расчета пружины клапана искусственного соска 54
Расчет клапана искусственного соска 59
Выводы 62
Методика экспериментальных исследований 63
3.1. Методика лабораторных исследований 63
3.1.1. Методика разработки стенда для испытания доильных аппаратов 63
3.1.1.1. Методика разработки блока имитации внутривыменного давления 67
3.1.1.2. Методика разработки блока имитации интенсивности молокоотдачи 69
3.1.1.3. Методика разработки блока регистрации интенсивности молоковыведения 71
3.1.2. Методика проверки блоков имитации стенда для испытания доильных аппаратов 73
3.1.3. Методика испытания, доильных аппаратов 74
3.1.4. Методика выбора оптимального аппарата 76
3.1.5. Методика проведения полного
факторного эксперимента 77
3.2. Методика производственных исследований 81
3.3. Выводы 85
4. Результаты экспериментальных исследований 86
4.1. Результаты лабораторных исследований 86
4.1.1 Проверка блока имитации внутривыменного давления 88
4.2. Результаты производственных испытаний 90
4.3. Выводы 97
5. Экономическая эффективность от внедрения испытательного стенда в производство 98
Общие выводы 102
Литерата 105
Приложения
- Анализ существующих методов испытания доильных аппаратов
- Анализ оборудования для испытаний доильной техники и тенденции его развития
- Расчет параметров блока имитации интенсивности молокоотдачи
- Методика разработки стенда для испытания доильных аппаратов
Введение к работе
За последние годы в России в значительной степени разрушена машинотехнологическая база агропромышленного комплекса (АПК), неудовлетворительно работает созданная еще в СССР довольно основательная система производства техники для сельского хозяйства. Одной из наиболее актуальных проблем современного АПК является разработка и эффективная эксплуатация биотехнических систем, и разработка для них адаптивной техники.
В настоящее время сельское хозяйство России имеет самые
низкие, по сравнению с развитыми странами, показатели
производительности труда. Чтобы сократить отставание, необходима
серьезная работа по внедрению современных технологий в процессе
обучения и новых путей решения проблемы создания эффективно
работающей техники. Поэтому в 2005 году впервые1 объявили о
национальном проекте «Развитие АПК» где главным является
животноводство. До 2008 года агросектору к бюджетным средствам на
его развитие добавлено более 30 млрд. рублей. На эти деньги
планируется увеличение производства молока и мяса на 4,5-7%. Одним
из путей решения проблемы повышения квалификации кадров может
стать широкое применение тренажеров, стендов и муляжей для
биотехнической системы. Немаловажным фактором, влияющим на
продуктивность коров, является эффективность работы доильных
машин. -. . ...
При создании новой техники для животноводства необходима отработка конструкций, потому что эта техника, обслуживая животных, оказывает на них мощное воздействие. Такую отработку лучше всего проводить на специальных стендах, применяя разнообразные конструктивные или технологические варианты и стремясь к тому, чтобы воздействие на животное было только положительным.
5 В связи с этим возникает необходимость разработки и
совершенствования-методик и оборудования, для испытаний доильных
аппаратов. Подобные методики должны включать лабораторные и
производственные исследования.
Цель работы: Разработка методики и стенда для испытания
доильных аппаратов. В ходе выполнения работы были поставлены
следующие задачи исследования:
обосновать необходимость применения стендов для испытания доильных аппаратов.
исследовать процесс выведения молока из вымени животного.
3. обосновать конструктивные и режимные параметры
имитационных блоков испытательного стенда для доильных аппаратов.
предложить методику лабораторных исследований доильных аппаратов.
сравнить режимные характеристики различных типов доильных аппаратов на стенде по,эффективности их работы.
оценить экономическую эффективность проведения стендовых и производственных испытаний доильных аппаратов:
Объект исследований. Изучение особенностей машинного доения коров для адекватной имитации на испытательном стенде..
Предмет исследования. Многофункциональный стенд для испытания доильных аппаратов.
На защиту выносятся:
- по специальности 05.20.01
>теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров стенда для испытания доильных аппаратов;
методика подбора доильных аппаратов для группы коров-аналогов на основе испытаний;
конструкция стенда для испытания доильных аппаратов.
- по специальности 05.20.03
технология испытания доильных аппаратов;
методика лабораторных и производственных испытаний доильных аппаратов.
Научная новизна. В результате многочисленных исследований можно выделить следующее:
методика структурно - логического построения стенда для испытания доильных аппаратов;
аналитические зависимости для определения оптимальных параметров стенда для испытания доильных аппаратов;
методика испытания доильных аппаратов.
Новизна предложенных технических решений защищена тремя патентами.на изобретение РФ, и одним патентом на полезную модель.
Практическая ценность. На основании проведенных исследований изготовлен стенд для испытания доильных аппаратов, обеспечивающий уменьшение времени на проведение лабораторных испытаний доильных аппаратов, подбор аппаратов к определенной группе животных и выбор из нескольких конструкций доильных аппаратов лучшей.
Реализация результатов исследований:
Опытный образец стенда и предложенная методика испытаний доильных аппаратов проходили проверку и были внедрены в СПК «Колхоз Барабановское» Новосергиевского района и в СПК «Колхоз им. Ворошилова» Акбулакского района, Оренбургской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и одобрены на региональных конференциях молодых - ученых и специалистов /Оренбург, 2005 - 2007/, на международных научно - технических конференциях /Оренбург, 2005 -2007/, на научных конференциях Оренбургского государственного аграрного университета /2003 - 2007/, на научной конференции Саратовского госагроуниверситета им. Вавилова /2005/, на конференции
7 «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки» ФГОУ ВПО «Чувашская Государственная Сельскохозяйственная Академия» /Чебоксары 2006/, на Х-ой международной научно -практической конференции «Энтузиазм и творчество молодых ученых в развитии фундаментальной и прикладной науки» ФГОУ ВПО «Уральская Государственная Академия Ветеринарной Медицины» /Троицк 2006/ на XVII Международной специализированной выставке «Агрокомплекс - 2007» ФГОУ ВПО «Башкирский Государственный Аграрный Университет» /Уфа 2007/.
Научный уровень реализации исследовательских программ подтвержден дипломом лауреата конкурса научных работ молодых ученых и специалистов Оренбуржья /Оренбург, 2005 г./.
Образец стенда демонстрировался на Российской Агропромышленной Выставке, где был отмечен нагрудным знаком «Участник ВВЦ» и серебряной медалью /Москва, 2005 - 2006 г./.
Результаты научных исследований отмечены премией, учрежденной Указом- Президента Российской Федерации «О* мерах государственной поддержки талантливой молодёжи от 6 апреля 2006 г. № 325» /Москва, 2006 г./. ,
За активное участие в областном конкурсе молодых ученых «Наука — технологии — производство — рынок» награжден дипломом /Оренбург, 2007 г./.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать статей, получено три патента на изобретение и один патент на полезную модель.
Структура . и . объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 129 наименований и приложений. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 7 таблиц и 5 приложений.
Анализ существующих методов испытания доильных аппаратов
Эффективность работ, связанных с созданием физиологической конструкции доильного аппарата практически полностью зависит от результатов исследований влияния параметров аппарата на организм животного, кроме того, чтобы обеспечить универсальность доильной машины, необходимо рассматривать животное не как усредненный биологический объект определенного вида, а как индивид [26, 32, 36, 119].
Выбор оптимальной конструкции доильного- аппарата является задачей трудноразрешимой, если пользоваться простым апробированием различных аппаратов в производственных условиях [1,4].
Для решения этой проблемы необходимо создавать и использовать специальные методики и оборудование для испытания доильных машин, с помощью которых возможна имитация необходимых параметров организма л актирующего животного.
Испытания доильных аппаратов начинаются в экспериментальных лабораториях, где создаются и изучаются опытные образцы нового оборудования. Такие испытания называются функциональными и проводятся для проверки работоспособности доильного аппарата. Для таких испытаний исследователи создают и применяют специальные методики и оборудование, с помощью которого осуществляется имитация необходимых форм тела и определенных функций животных [102, 122].
При серийных испытаниях и производстве проводят заводские испытания всех частей доильной машины для проверки соответствия их чертежам и техническим условиям. Необходимо также периодически проводить контрольные испытания доильных аппаратов на молочных фермах с целью определения их пригодности к эксплуатации и для выявления тех недостатков, которые нельзя обнаружить при заводских испытаниях [1, 72].
- Проводят и сравнительные испытания различных доильных аппаратов, чтобы установить разницу - между ними и выявить конструкцию, наиболее приемлемую для машинного доения, эти испытания более трудоемки и обходятся дорого.
Эффективность работы доильного аппарата можно оценить при помощи самых разнообразных показателей. Это - время доения, средняя скорость доения, молочная и жировая продуктивность, изменение внутривыменного давления, величина ручного додоя и др. Причем, одни из- них можно получить в лабораторных условиях, другие в производственных.
Лабораторные испытания проводятся с целью определения основных технико - эксплуатационных параметров: количества пульсов в минуту, соотношение тактов, расходных характеристик. Для решения этих вопросов известных различные устройства.
Для определения количества выталкиваемого в вымя молока (обратного тока молока) в Оренбургском СХИ используется искусственный сосок, имеющий специальное клапанное устройство для перепуска выдаиваемого из соска молока в мерную емкость. По объему вытесненного молока можно судить о степени совершенства доильного стакана [8].
В КазНИИ МЭСХе разработано устройство для имитации процесса молокоотдачи. Имитация достигается за счет включения в конструкцию искусственного вымени, управляемого клапана, регулирующего расход заменителя молока. При этом используются специальные шаблоны для привода в действие регулятора расхода. Устройство позволяет проводить сравнительные испытания доильных аппаратов в лабораторных условиях.
Каждый из видов испытаний имеет свою методологию — теоретическое обоснование, определяющее направление проводимых исследований и соответствующие этому направлению методики, связанные с физиологической оценкой доильного оборудования. Так В.Ф. Королев предлагает в первую очередь проводить сравнительные испытания доильных машин двухтактного и трехтактного способов доения [72, 73]. При этих испытаниях решается вопрос о продолжительности доения каждой коровы и о влиянии различных способов доения на продуктивность коров.
Влияние способов машинного доения на продуктивность животных имеет большое значение. Необходимо иметь такую доильную машину, которая в наибольшей степени способствовала бы повышению производительности труда, раздаиванию коров и не вызывала бы заболеваний вымени.
Доктор Петерсен (США) утверждает, что только скоростное доение увеличивает продуктивность животных и что доение продолжительностью более 7 мин снижает продуктивность коров [129]. Скорость доения коров машиной зависит, прежде всего, от их способности быстро или медленно отдавать молоко и от степени открывания сфинктера соска под действием вакуума.
К.И. Кавешникова и Л.Г. Красноперова предложили для сравнения доильных аппаратов проводить анализ лактационных кривых коров аналогов по возрасту, сроку отела, продуктивности, типу стрессоустойчивости [53]. Молоковыведение в своих опытах они регистрировали графически ежемесячно. Стимулирующий эффект доильного аппарата по данной методике связан с повышением длительности молоковыведения при максимальном внутривыменном давлении.
Анализ оборудования для испытаний доильной техники и тенденции его развития
Для проведения испытаний доильных аппаратов в лабораторных t, условиях необходимо иметь соответствующее оборудование, благодаря которому возможно испытывать новые доильные аппараты и осуществлять выбор и настройку параметров уже имеющихся в производстве. На сегодняшний день достаточно широк ассортимент испытательных устройств см. рисунок 1.1., (приложение 1).
В.М. Побединским, В.Г. Барганом, В.И. Донецких, И.Г. Старушом и В.И. Комаровым предлагается устройство для экспресс - контроля доильных аппаратов (рис. 1.2,). При работе устройства давление сосковой резины на корпус и эластичную камеру в процессе всего цикла передается через стенки полуколец на датчик давления. При этом регистрируется давление и определяется жесткость сосковой резины. устройства можно определять отклонения частоты пульсаций, соотношение тактов и их отклонения, а также позволяет регистрировать весь диапазон изменения давления в межстенной камере [14]. Прибор для настройки и проверки режима работы доильных аппаратов создали СТ. Джавахи и Э.П. Гугушвили, он позволяет имитировать молокоотдачу во время доения (рис.1.3.). Проверка двух доильных стаканов осуществляется с эталонным доильным стаканом работающим от эталонного пульсатора. Данный прибор обеспечивает проверку работы доильных аппаратов при различных потоках (молокоотдаче) [6].
В.И. Рублев, И.Н. Иваненко, С.Ф. Шульга и В.В. Клапань предлагают стенд для ускоренных испытаний на долговечность резинотехнических изделий доильных установок (рис.1.4.). Стенд осуществляет механические колебания с определенной частотой, амплитудой и асимметрию цикла изгиба. В процессе работы по шлангам проходит теплая жидкость и они подвергаются знакопеременному изгибу и растяжению, что вызывает усталостное разрушение, характерное для эксплуатации [9].
Устройство для испытания доильных аппаратов предлагаемое Ю.В. Дыжином, А.И. Синельщиковым, В.В. Воробьевым, A.M. Пахомычевым и С.К. Сидоровым повышает точность испытаний путем обеспечения измерений на различных уровнях характеристики изменения вакуума (рис.1.5.). Это обеспечивается применением блоком формирования импульсов, датчиком вакуума и формирователем опорного напряжения [7,43].
При испытаниях критерием качества работы доильного аппарата является величина наползания доильного стакана на сосок вымени животного. Чем она меньше, тем лучше доильный аппарат. Для получения точных данных предусмотрены испытания с одним доильным стаканом [88, 89, 90, 91, 92, 93].
С.А. Соловьев, А.В. Аксенов, П.И. Огородников, А.А. Курочкин создали стенд для испытания доильных аппаратов позволяющий имитировать внутривыменное давление благодаря перемещению емкости в вертикальной плоскости относительно кончиков сосков, кривую молокоотдачи благодаря применению кулачков различного профиля (рис. 1.7.). Для регистрации интенсивности молокоотдачи применены датчики, устройство для зоотехнического учета молока и потокомер. Сравнение экспериментальных и теоретических кривых молокоотдачи позволяет охарактеризовать величины рабочих параметров и эффективность режима работы испытываемого доильного аппарата [12, 13, 87].
Стенд, предлагаемый В.А. Воробьевым, дает возможность снятия диаграмм с трех- и двухтактных доильных аппаратов, но при выполнении испытания требует измерение метрическим инструментом параметров диаграммы, что не исключает погрешности (рис. 1.8.). Затем необходимо произвести ряд вычислений, что весьма не практично [37].
Расчет параметров блока имитации интенсивности молокоотдачи
Индивидуальной характеристикой каждой молочной коровы является динамика молокоотдачи. Несмотря на влияние, достаточно большого количества факторов, эта характеристика остается стабильной на протяжении всей лактации.
Многообразие форм кривых молокоотдачи, которые можно получить в результате анализа любого молочного стада, практически можно- свести (усреднить) к нескольким характерным. Каждая из полученных кривых будет характеризовать особенности молокоотдачи целой группы коров. Это особенно важно при внедрении современных форм обслуживания животных. В частности, каждую группу животных можно обслуживать по особым технологиям с применением разновидностей доильных аппаратов, подготовительных устройств и другого оборудования.
В связи с этим, встает проблема выбора оптимального комплекта машин для обеспечения той или иной технологии. Таким образом, для рекомендации конкретной конструкции доильного аппарата, для определенной группы коров необходимо оценить его эффективность по адекватности физиологическим особенностям молокоотдачи.
За критерий оптимальности соответствия доильного аппарата физиологии молокоотдачи коровы, мы выбрали форму кривой интенсивности молокоотдачи.
Уравнения кривых интенсивности молокоотдачи выглядят следующим образом: для группы № = 2,4 + 4,75-/-3,73-/2 +0,63-/3 (2.11) для группы № Q = -0,77 + 6,28 / - 2,82 /2 + 0,33 /3 (2.12) для группы № 3 (2.13) 6 = 0,38 + 3,2-/-1,29-/2+0,13-/3 где Qn - интенсивность молокоотдачи соответствующей группы коров, t - время доения.
Одним из составных элементов стенда для испытания доильных аппаратов является блок имитации молокоотдачи (рис.2.2), который представляет собой насосную установку, связанную с перепускным краном.
Блок позволяет регулировать расход имитатора молока в соответствии с характеристической кривой молокоотдачи определённой группы коров. Это обеспечивается за счет сочетания диаметра отверстия перепускного крана и работы насоса, рассчитанного из расходных характеристик и потребного напора.
Расход имитатора молока в системе связан с сечением трубы и скоростью движения следующей зависимостью: Q- r (2.14) где v - скорость движения имитатора молока в трубе, м/с; d — внутренний диаметр трубы, м. Отсюда v = - - (2.15)
Очевидно, что для определения скорости движения имитатора молока в трубе кроме расчетного расхода необходимо знать (или задавать) диаметр трубы.
Потери напора при движении имитатора молока по трубам пропорциональны их длине и зависят от диаметра труб, расхода (скорости течения), характера и степени шероховатости стенок труб (т.е. от типа и материала труб) и от области гидравлического режима их работы.
Сложность физических, химических и биологических явлений, определяющих изменение шероховатости труб и их зарастание, приводит к необходимости ориентироваться на некоторые средние показатели, которые можно оценить по формуле: kt=k3+5-t (2.19) щ - эквивалентной шероховатости через t лет эксплуатации, мм. кэ — коэффициент эквивалентной шероховатости для новых труб в начале эксплуатации, мм. д — ежегодный прирост абсолютной шероховатости, мм в год, зависящий от физико-химических свойств подаваемой по ним жидкости.
Общие потери в трубопроводе, с учетом потерь в местных сопротивлениях могут быть определены по формуле: H06=hJ+hM (2.20) где hM - местные потери напора. Местные потери напора обуславливаются преодолением местных сопротивлений, создаваемых фасонными частями, арматурой и прочим оборудованием трубопроводных сетей. Потери напора в местных сопротивлениях вычисляются по формуле Вейсбаха:
Методика разработки стенда для испытания доильных аппаратов
Кривые интенсивности молокоотдачи и их математическое описание, полученные С.А. Соловьевым и А.В. Аксеновым легли в основу разработки стенда для испытания доильных аппаратов, который позволяет достаточно полно, учитывать физиологические процессы, имеющие место при молокоотдаче животными [4] .
Уравнения кривых интенсивности молокоотдачи, согласно разделению І коров молочного стада на три технологические группы, соответственно имеют вид: . . длягруппы№ I (3,-2,4 + 4,75-/-3,73- +0,63./3 для группы №2 Q2= -0,77 + 6,28 /- 2,82 t2 + 0,33 b длятруппы№3 03= 0,38 + 3,2 -/-1,29 2 +0,13 r где Qn""— интенсивность" молокоотдачи соответствующей группы коров, t— время доения. При разработке конструкции стенда для испытания доильных аппаратов были поставлены и решены следующие задачи: - имитация внутривыменного давления за счет применения насоса малой производительности и регулировочного перепускного клапана; - имитация различной интенсивности молокоотдачи за счет изменения площади отверстия в кране, который регулирует поступление жидкости в процессе проведения испытания; - регистрация параметров,, характеризующих процесс «молоковыведения», а также запись динамики «молокоотдачи».
Отличительной особенностью предлагаемой методики сравнительных испытаний доильных аппаратов является то, что в качестве критериев конструктивного и технологического совершенства испытываемого оборудования используется степень соответствия молокоотдачи молоковыведению.
Чем меньше расхождение между интенсивностью молокоотдачи животного и динамикой молоковыведения доильного аппарата, тем он является наиболее оптимальным для данного типа животного. Испытательный стенд состоит из блоков, которые обеспечивают имитацию кривой молокоотдачи лактирующего животного (рис.3.1).
Рис. 3.1. Стенд для испытания доильных аппаратов. Стенд (Патент № 2285390) для испытания доильных аппаратов изображен на рис. 3.2. Стенд содержит раму 1, емкость с имитатором молока 2, заливную горловину 3 насос малой производительности 4, электродвигатель 5, реле времени 6, кнопку управления 7, трубопровод подачи 8, имитатор вымени 9, регулируемый перепускной клапан 10, обратный трубопровод 11, доильные стаканы 12, искусственные соски 13, коллектор 14, молочный шланг 15, вакуумный шланг 16, 17, доильное ведро 18, вакуумметр 19, кран перекрытия 20, вакуумпровод 21, манометр 22. =4 9 8 22 10 11 Рис. 3.2. Технологическая схема стенда. Стенд работает следующим образом. Перед проведением испытаний через горловину 3 заливают имитатор молока в емкость 2 затем, на искусственные соски 13 надевают доильные стаканы 12 испытываемого доильного аппарата. Открывая кран 20, соединяют вакуумпровод 21 с вакуумными шлангами 16 w 17. Величина вакуумметрического давления при этом отслеживается по манометру 19. Открытие крана 20 необходимо производить после создания требуемого внутривыменного давления, фиксируемого манометром 22, т.е. после подключения насоса 4, в момент срабатывания перепускного клапана 10 или по истечении определенного промежутка времени, достаточного для заполнения имитатора вымени 9 имитатором молока.
Нажатием кнопки управления 7, находящейся на реле времени 6 происходит включение электродвигателя 5, для привода в работу насоса малой производительности 4, который перекачивает имитатор молока из емкости 2 по трубопроводу подачи 8 в имитатор вымени 9, в котором создается внутривыменное давление, фиксируемое манометром 22. Величина внутривыменного давления будет поддерживаться на заданном уровне за счет регулирования перепускного клапана 10. При достижении величины давления, превышающего заданное значение, срабатывает регулируемый перепускной клапан 10, и жидкость через обратный трубопровод 11, сливается в емкость 2. Под воздействием вакуумметрического давления в полости эластичных насадок создается разряжение, которое через дросселирующие каналы так же воздействует на шарик, который под действием двух сил (вакуума и давления имитатора молока) перемещается вниз, преодолевая жесткость пружины.
Имитатор молока проходит через дросселирующие каналы попадает в полости эластичных насадок, откуда эвакуируется через канал, доильные стаканы 12, коллектор 14 и молочный шланг 15 в доильное ведро 18.
Похожие диссертации на Разработка методики и определение конструктивно-режимных параметров испытательного стенда для доильных аппаратов
