Исследования доильного аппарата с пульсоотключателем

Введение. При привязном содержании основной причиной снижения удоев и маститов у коров является холостое доение, которое возникает из-за передержки доильных аппаратов на вымени выдоившихся коров во время машинного доения [1, 2, 3, 4].

Известно, что увеличение количества используемых доильных аппаратов оператором машинного доения ведет и к увеличению количества выдаиваемых коров в единицу времени, то есть растет производительность труда дояра. Однако зачастую выполнить все операции машинного доения по установленным правилам не представляется возможным. Из-за того, что животные обладают неодинаковой молокоотдачей, напрямую влияющей на продолжительность их выдаивания, что характеризуется через коэффициент нерав- номерности, почти всегда процессу присуще явление холостого доения. Коэффициент неравномерности показывает отношение минимальной продолжительности машинного доения к средней продолжительности машинного доения коров в группе, обслуживаемой одним оператором.

В зависимости от количества доильных аппаратов у оператора n , с учетом коэффициента неравномерности k предложена формула, позволяющая определить ту часть коров P в группе, которые подвергнуты передержкам и холостому доению [5]:

n -1  1- k

P

n

где n – количество используемых оператором доильных аппаратов;

k – коэффициент неравномерности.

На рисунке 1 приведены графические зависимости, построенные на основании формулы (1). Предположим, что оператор машинного доения работает с тремя вакуумными доильными аппаратами, тогда от 6 до 27% коров в этой группе будут подвергнуты холостому доению, при этом изменение коэффициента k будет находиться в пределах 0,9–0,6.

Изменение времени отдачи молока у различных коров есть причина холостого доения, устранить которую нельзя без подбора животных в группе.

Необходим доильный аппарат, предохраняющий вымя коровы при передержках от вредного воздействия вакуума. Нами предлагается доильный аппарат, который после извлечения молока у коровы отключает на рабочем такте сжатия пульсатор. И при этом упругие стенки сосковой резины двухкамерного доильного стакана смыкаются, плотно обжимая сосок вымени коровы, что исключает проникновение разреженного давления в полость сосков молочной железы, что обезопасит вымя коровы во время холостого доения от вредного воздействия вакуума при передержках на нем используемых доильных аппаратов.

■ k₃=0,6         К k₂=0,75         e ki=0,9

Рисунок 1 - Графическая зависимость определения доли Р коров в группе, подверженных передержкам, от коэффициента неравномерности k и числа доильных аппаратов n , используемых оператором машинного доения

Конструкция предлагаемого нами доильного аппарата с оригинальным устройством отключения пульсатора (пульсоотключателем) приведена на рисунке 2 [6, 7, 8].

В процессе машинного доения молоко, извлекаемое из сосков вымени коровы, поступает в коллектор 4 подвесной части из двухкамерных доильных стаканов 2, а затем по молочному шлангу 3 – в молочную камеру пульсоотключателя 5 и в конечном итоге в мо-локоприемник 1. Термостатический сильфон 6 нагревается от молока, заполнившего камеру пульсоотклю-чателя 5. Нагреваясь, термостатический сильфон со штоком 6 изменяет свои геометрические размеры, увеличиваясь в длину. В результате этого шток с установленной на нем присоской 7 взаимодействует с клапаном 9, поджимая его к торцевой поверхности корпуса пульсоотключателя. Термостатический сильфон со штоком 6 поджимает клапан 9 до завершения выведения молока из вымени. По завершении машинного доения термостатический сильфон со штоком 6 охла- ждается, его линейные размеры уменьшаются вследствие прекращения поступления молока в камеру пульсоотключателя 5, при этом шток с установленной на нем присоской 7, воздействуя на клапан 9, отрывает его от торцевой поверхности корпуса пульсоотключа-теля, что ведет к увеличению площади поверхности клапана 9, взаимодействующей с атмосферным воздухом. Действующая на клапан 9 и направленная вниз сила возрастает, сам клапан 9 прекращает взаимодействовать с присоской 7, так как отрывается от ее пластины и начинает уже перемещаться самостоятельно, сжимая при этом установленную пружину. Опускание клапана 9 сопровождается перекрытием канала 10 и на такте сжатия прекращается работа пульсатора. Упругие стенки сосковой резины двухтактного доильного стакана 2 плотно смыкаются, препятствуя при этом проникновению разреженного давления в полость соска молочной железы коровы. Остановка пульсатора как бы сигнализирует оператору о завершении процесса доения.

к источнику бакуума

а к молокоприемнику

б

а – принципиальная схема; б – общий вид; в – пульсоотключатель в разборе

1 – молокоприемник; 2 – доильный стакан; 3 – шланг; 4 – коллектор; 5 – пульсоотключатель; 6 – термостатический сильфон со штоком; 7 – присоска; 8 – пружина; 9 – клапан; 10– канал Рисунок 2 – Доильный аппарат с пульсоотключателем

Оригинальным в предлагаемом доильном аппарате отсасывающего типа является использование термостатического сильфона, срабатывающего от температуры молока при доении, в качестве отключа-теля пульсатора доильного аппарата. Устройство это в виде пульсоотключателя было смонтировано нами в типовую комплектацию доильного аппарата вместо пульсатора.

Методика исследования. Нами рассмотрен и проанализирован рабочий процесс пульсоотключателя

Имеем:

£ F x 0 ; N 1 N 2   0;

двухтактного доильного аппарата. При проведении теоретических исследований, которые направлены на обоснование параметров отключателя пульсатора, использованы закономерности математики и теоретической механики.

По завершении поступления молока происходит охлаждение рабочего тела сильфона и изменение его длины. Это приводит к отходу клапана от поверхности корпуса пульсоотключателя. Приложим действующие силы на клапан и запишем уравнение его равновесия (рисунок 3).

IFy  0; Fynp +Fmp1Fmp 2P G  Pc0;

MA  0 ; P      a   N2h  Fynp     b   Fmp2d +Gd• +Pcd 0,

2 )      222

Рисунок 3 – Расчетная схема сил, действующих на клапан пульсоотключателя

где F упр – сила упругости пружины, Н ;

G – сила тяжести, Н ;

P c – сила действия термостатического сильфона, Н ;

F тр1 , F тр2 – силы трения, Н ;

Р v – вакуум, Н/м² .

Сила действия термостатического определится [7]:

Pc2 kca, 1      2c где Е– модуль упругости сильфона, H/м2 ; h – толщина стенки гофр сильфона, м; n – число полных гофр;

ц – коэффициент Пуассона;

co – осевое удлинение, м ;

сильфона

k c – опытный коэффициент.

Eh n

Введя обозначение u      ⁰₂ k_c , а y = (О ,

1      2c формула (5) примет вид:

P _c    uy .               (6)

Самым неблагоприятным вариантом является перемещение клапана с перекосом, при этом в системе возникают силы трения F _{mp 1} и F _{mp 2} .

Для решения системы (2)–(4) необходимо дополнительное уравнение. Составим уравнение элементарных работ при возможных перемещениях клапана относительно точки В (рисунок 4).

а                                              б а - схема перемещения; б - схема к расчету

Рисунок 4 – Схема к составлению уравнения элементарных работ

F Т p d  Nh  F уnp

d

d

d

d       d     d        d

—н b  G P    a P 0.

Формулу для нахождения силы трения получим при совместном решении уравнений (4) и (7), после преобразований получим

FF т p      уnp

a+b

h d 2a

G+P

a

h d 2a

.

Введя обозначения

L ₁

ab

h d2a

f

, ^L 2

a

h d  2a

f

^F Т p   ^F уnp ^L 1 ^{G  P} c ^L

При P 0 , до начала уменьшения длины термостатического сильфона, клапан за счет предварительного сжатия установленной пружины находится в верхнем положении. Следовательно, усилие пружи- ны при этом будет определяться зависимостью F сy , где у – начальное сжатие пружины. Тогда уравнение (8) можно записать в виде

P 2 L  1 G 2 L  1 cy 2 L  1 P 0.

Уравнение движения клапана с учетом силы упругости Ғ упр = c (у о + у ) будет иметь вид:

md ² y dt ²

uy 2 L 1 G 2 L   1 cy 2 L 1 cy 2 L 1 P .

С учетом формулы (9), после преобразований, имеем d 2y   Ay 0 ,                (11)

где А - коэффициент,

m dy

Введя обозначение         P , имеем dt y P , и уравнение (11) примет вид:

dt2

dP

PdP  Ay.

dy t        ln

A

y yy y0

В начальный момент из-за снижения температуры имеет место осевое уменьшение длины гофр сильфона и происходит движение клапана вниз.

Согласно В.И. Квашенникову уравнение работы термостатического сильфона [6] имеет вид:

^{c ж r в 2 ж dy} y T cp   T б   0,    (17)

kб   dt где сж – теплоемкость рабочего тела сильфона, ; rв – рабочий радиус сильфона, м;

_ж – плотность рабочего тела, кг/м³;

После интегрирования общее решение уравнения (12) будет:

P ² Ay ² С .        (13)

При t 0 пружина сжата с предварительным

– коэффициент объемного расширения, ;

усилием

"      _ P_u+ (2L₂+1)G

"   '0     2(2£) + 1)с скорость клапана равна:

тогда при y y

dy dt

у у ₀

у у ₀

Подставив значения в уравнение (13), найдем постоянную интегрирования С 1 :

С ₁ Ау ₀ ² .             (14)

С учетом С и Р зависимость (12) имеет вид:

k б – коэффициент термостатического сильфона;

Т _ср , Т _б – температура соответственно молока и термостатического сильфона со штоком, ºС.

Максимальная длина термостатического сильфона со штоком соответствует моменту завершения поступления выдоенного молока из вымени коровы в камеру пульсоотключателя, при этом его температура будет близка к температуре молока ( t ср ≈ 37–38 ºС). Затем через некоторое время термостатический сильфон со штоком начинает остывать, соответственно его длина уменьшается и начинается движение клапана пульсоотключателя – это и есть его начальный этап работы. При этом ход клапана, пружины и термостатического сильфона будут равны у , будет равна и ско-

рость, что позволяет совместно решить уравнения (15), (16) и (17) в первом приближении. Тогда

Учитывая перемещение от y до y за время от 0 до t , проинтегрировав уравнение (15), определим время включения клапана:

t        ln

A

y 1

kб T

c r2     A

жв ж

y ₀

. (18)

Зависимость (18) позволяет определить для принятых конструктивно-режимных параметров пуль-соотключателя продолжительность его срабатывания.

Величина перепада температур ∆T влияет на удлинение сильфона и продолжительность движения клапана, что иллюстрируется графическими зависимостями на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость времени включения пульсоотключателя от перепада температур

Анализируя вышепредставленные графики, можно заключить, что при рабочем ходе клапана в пределах двух миллиметров разница температур должна быть не менее 22 ºC, тогда продолжительность срабатывания пульсоотключателя не превысит допустимого значения 60 с.

Для определения работоспособности доильного аппарата с пульсоотключателем и проверки теоретических исследований были проведены лабораторные эксперименты. Основными факторами, влияющими на работу устройства отключения пульсатора, являются: величина рабочего вакуума, температура внутри коровника, усилие пружины, прижимающей клапан пуль-соотключателя к корпусу.

Для получения математической модели был использован трехуровневый план вида 33 [9]. В таблице приводятся матрица плана и уровни варьирования исследуемых факторов. На компьютере с использованием прикладной программы «Mathematika 9» обрабатывались результаты экспериментов.

Матрица плана и уровни варьирования факторов

Наименование	Факторы			Критерий оптимизации
	Температура внутри коровника T , °C	Вакуум Р , кПа	Усилие пружины F упр , Н	Время отключения пульсатора t , с
	Х 1	Х 2	Х 3	Y
Верхний уровень (+)	25	50	11,4	–
Основной уровень (0)	15	47	9,12	–
Нижний уровень (-)	5	44	6,84	–
Интервал варьирования	10	3	2,28	–

В итоге после обработки экспериментальных данных получена адекватная математическая модель для определения времени отключения пульсатора (θ):

ө=- 288,551 + 1,316 х +0,021 х ²12,676 y 0,016 xy 0,148 y ²+ 0,585 z 0,087 xz +

+0,073 yz + 0,032 z ²,                                                                       ⁽¹⁹⁾

где x , y , z – значения факторов, в матрице плана они обозначены как Х , Х , Х соответственно.

Полученная нами математическая модель позволяет расчетным путем определить численные зна- чения времени срабатывания пульсоотключателя в пределах варьирования уровней факторов эксперимента.

а

■ > 35

■ < 35

■ < 30

□ < 25

□ < 20

■ < 15

■ < 10

■ > 48

■ < 48

■ < 44

□ < 40

□ < 36

□ < 32

■ < 28

б а – температура в коровнике 5 °C; б – температура в коровнике 15 °C

Рисунок 6 – Поверхности отклика, характеризующие время срабатывания пульсоотключателя от вакуума P и усилия пружины F упр .

Результаты исследований и их обсуждение. Для наглядности с применением пакета прикладной программы «Statistica» были построены графические зависимости – поверхности отклика сечений при фиксированных значениях температуры в коровнике, рабочего вакуума и усилия сжатия пружины (рисунок 6).

Из проведенного нами анализа графических зависимостей можно заключить, что к уменьшению времени срабатывания пульсоотключателя приводит увеличение вакуумметрического давления и снижение усилия пружины, а также снижение температуры в коровнике. Так, например, при вакууме 44 кПа, усилии пружины 6,84 Н и температуре в коровнике 5 °С время срабатывания пульсоотключателя составило соответственно 20,6 с, а при температуре – 15 °С время срабатывания пульсоотключателя увеличилось до 38 с. Увеличение вакуума до 50 кПа и усилия пружины до 11,4 Н при тех же температурах время срабатывания пульсоотключателя соответственно составит 27,6 с и 39,3 с.

Время отключения пульсатора должно быть не более 60 с [10]. В результате проведения шаговой обработки были получены следующие рациональные значения исследуемых факторов: величина рабочего вакуума 47–49 кПа, температура внутри помещения 5– 20 °С, усилие сжатия пружины 7–9 Н, при этом время отключения пульсатора составит от 15 до 40 с.

Сходимость результатов теоретических и лабораторных исследований приведена на рисунке 7 в виде графических зависимостей, построенных с использованием выражений (18) и (19). Сходимость результатов достаточна, отклонение не превышает 6,5%.

На основании проведенных исследований была разработана опытно-производственная серия доильных аппаратов с пульсоотключателями и были проведены их испытания в производственных условиях [11].

t,c

6,5          7,5          8,5          9,5          10,5

Экспериментальная зависимость Теоретические зависимости

Рисунок 7 – Графические зависимости сходимости исследований

Для проведения производственного эксперимента на молочной ферме привязного содержания СПК «Ряжский Агроцентр» Рязанской области проводился производственный эксперимент. Животных поделили на две группы по 40 голов в каждой. Контрольную группу коров доили в молокопровод двухтактными доильными аппаратами ШРИБ. При этом в контроль- ной группе оператор машинного доения одновременно работал с тремя доильными аппаратами, а в опытной группе – с четырьмя экспериментальными доильными аппаратами с пульсоотключателями (рисунок 8). Замер показаний и контроль вымени проводили еженедельно. Надой молока и интенсивность его выведения определяли при помощи счетчика молока DeLaval FI5.

1 – доильный аппарат; 2 – корова; 3 – пульсоотключатель Рисунок 8 – Доение коров в ходе производственного эксперимента

Проведенные эксперименты в производственных условиях показали, что разработанные доильные аппараты работоспособны. Производительность дояра при машинном доении опытной группы коров составила около 25 гол/ч, что на 15% выше, чем в контрольной. При этом затраты труда на доение коров в опытной группе уменьшились на 17%. В ходе эксперимента у коров контрольной группы было выявлено четыре случая заболевания маститом, а в опытной группе заболевания вымени у коров отсутствовали.

В целом коровы опытной группы спокойно переносили воздействие остановленного на рабочем такте сжатия доильного аппарата до снятия его оператором.

Выводы. При привязном содержании коров в скомплектованной группе, которую обслуживает дояр, от 6 до 27% голов при машинном извлечении молока подвержены холостому доению из-за присущей неравномерности молокоотдачи и времени выдаивания. Применяемые доильные аппараты должны исключать вредное патологическое влияние разреженного давления при передержках их на сосках вымени коров при холостом доении.

Предложенный отсасывающий доильный аппарат с пульсоотключателем по завершении процесса доения останавливает пульсатор на рабочем такте сжатия, упругие стенки сосковой резины двухтактного доильного стакана, плотно смыкаясь, препятствуют проникновению разреженного давления в полость соска молочной железы коровы.

Исследованиями выявлено, что время срабатывания пульсоотключателя зависит от характеристик применяемого термостатического сильфона со штоком, а также параметров установленной пружины, применяемого рабочего вакуума и разницы температур среды соответственно в молочной камере пульсоотк-лючателя и термостатического сильфона.

Представлена математическая модель, связывающая конструктивно-режимные параметры пульсо-отключателя, и определены их рациональные значения. При температуре внутри коровника 5–20 °С, величине рабочего вакуума 47–49 кПа, усилии пружины клапана 7–9 Н продолжительность времени остановки пульсатора на рабочем такте сжатия по завершении процесса доения составит 28–40 с.

Применение отсасывающих доильных аппаратов, имеющих в своей конструкции пульсоотключатели, повышает, на наш взгляд, производительность оператора машинного доения коров на 15% и при этом снижает затраты труда ориентировочно до 17%.

Результаты выполненных исследований могут быть полезны при разработке технических средств доения коров и обосновании доильных аппаратов, снабженных устройством для отключения пульсатора по завершении доения.