Экспериментальное исследование энергосберегающего привода водокольцевого вакуумного насоса для доения коров на пастбищах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Проблема восстановления пастбищного хозяйства в Северо-Западном регионе является актуальной и имеет большое значение в решении продовольственной и экологической безопасности. Для повышения уровня производства продукции молочного животноводства и улучшения ее качества важным является вместе с кормлением и содержанием животных машинное доение коров.

Эффективность работы доильных машин и технологии доения в целом в значительной степени определяется постоянством вакуумного режима в технологических линиях доильных установок. Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что даже незначительное отклонение параметров вакуумного режима доильной установки приводит к росту числа заболеваний коров маститом, вызывает снижение их продуктивности и качества молока. В связи с этим целью исследований являлось повышение эффективности работы доильной установки на примере УДС-3Б.

В качестве источника вакуума в современных доильных установках используются вакуумные насосы различных типов. Их рабочие параметры, и в первую очередь подача, определяют стабильность и величину рабочего разрежения в доильных машинах. При неполной загрузке вакуум-силовой установки, когда одновременно доят не шесть, а две или четыре коровы, существующие насосы работают на полную мощность, а через вакуум-регулятор в систему поступает атмосферный воздух.

В состав вакуум-силовой системы универсальной доильной станции (УДС-3Б), применяемой для доения коров на пастбищных комплексах, входят ротационный вакуумный насос УВУ-60/45, обратный клапан, вакуум-регулятор, вакуумметр, вакуум-баллон, вакуумная магистраль, рассчитанные на поголовье 100 коров. Но такие вакуумные системы имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются низкая производительность (до 60 м3/ч), невысокая надежность (трение пластин и перегрев), большой расход масла (до 4 г/м3 воздуха), загрязнение окружающей среды (выброс масла), сильный шум при доении, значительные затраты на техническое обслуживание, колебание вакуума при изменении нагрузки. По предлагаемой нами технологии (рисунок 1) в состав вакуумной установки включены водокольцевой вакуумный насос типа ВВН, магистральный вакуум-провод, преобразователь частоты (ПЧ), датчик вакуумметрического давления, водопровод рабочей жидкости, водосборник.

Важнейшими достоинствами насосов BBH являются способность откачивать абсолютно любые пары и газы, в том числе запыленные и загрязненные, надежность и простота конструкции. Динамически отбалансированные роторы уменьшают вибрацию, увеличивая тем самым ресурс работы насосов. Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов IGBT. В настоящее время во всем мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом [1].

Рисунок 1 - Технологическая схема экспериментальной установки

Широкодиапазонный и быстродействующий электропривод водокольцевого вакуумного насоса позволяет применить систему векторного управления.

Наличие программируемого ПИД-регулятора позволяет организовать автоматический контроль над аналоговым сигналом, приходящим с датчика обратной связи (например, давления, температуры, уровня). Необходимо отметить также наличие пропускаемых частот, настраиваемых пользователем и позволяющих избежать резонанса в механизме и двигателе. Из функций, полезных при управлении насосом, следует обратить внимание на возможность «подхвата» вращающегося двигателя и возможность автоматического перезапуска при исчезновении питания или рестарта при аварийном отключении. Преобразователь может перезапускаться до 10 раз с задержкой перед включением от 5 до 25 с.

Схема состоит из водокольцевого вакуумного насоса с приводом от трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока, ПЧ OBEH 103-4К0-В, датчика-реле вакуумметрического давления ДРМ-Н-20, вакуум-провода с восемью кранами для подключения доильных аппаратов, анализатора качества электроэнергии UMG 96 S.

Наибольшее распространение получил ПЧ с промежуточным контуром постоянного тока, выполненный на базе инверторов напряжения [2, 3]. Структурная схема такого ПЧ приведена на рисунке 2.

Возможный экономический эффект от внедрения энергосберегающего автоматизированного привода водокольцевого вакуумного насоса складывается, в частности, из следующих факторов:

- экономия электроэнергии водокольцевым вакуумным насосом до 50 % путем изменения частоты вращения, улучшение режимов работы насоса;

- снижение износа механических звеньев и увеличение срока службы технологического оборудования вследствие улучшения динамики работы электропривода;

- в режиме энергосбережения ПЧ автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку, снижает выходное напряжение, уменьшает потери на обмотках двигателя и увеличивает его КПД.

Рисунок 2 - Схема системы управления вакуумным насосом

На рисунке 3 приведен общий вид изготовленной на основании проведенного теоретического расчета [4-6] экспериментальной установки, в состав которой введены описанные выше элементы и узлы.

Рисунок 3 - Общий вид экспериментальной установки для исследования водокольцевого вакуумного насоса с набором доильных аппаратов (автор фото О.А. Герасимова)

В экспериментальной установке был осуществлен автоматизированный привод водокольцевого вакуумного насоса с целью электросбережения при изменении вакуумметрического давления.

Электрическая часть установки (рисунок 4) включает в себя цепь управления асинхронным электродвигателем привода насоса, датчика (реле давления), векторного ПЧ и измерительных устройств. Привод насоса подключается к трехфазной сети переменного тока 380/220 В.

Рисунок 4 - Аппаратура управления водокольцевым вакуумным насосом (автор фото О.А. Герасимова)

Векторный ПЧ позволяет в автоматическом режиме изменять частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя, а следовательно, и частоту вращения рабочего колеса вакуумного насоса. Для измерения мощности, расходуемой водокольцевым вакуумным насосом, в схему установки были включены три трансформатора тока и анализатор качества электроэнергии UMG 96 S (рисунок 5). Методы исследования. Экспериментальные исследования осуществлялись на установке, изображенной на рисунке 3, согласно методике, изложенной в работе В.А. Шилина, О.А. Герасимовой [5].

Рисунок 5 - Схема установки прибора - анализатора качества электроэнергии UMG 96 S (автор фото О.А. Герасимова)

В экспериментальной лаборатории было создано три вакуум-провода различного диаметра с восемью вакуумными кранами в каждом. Среди положительных характеристик труб из поливинилхлорида (ПВХ) выделяются следующие: разумная цена, устойчивость к образованию коррозии и воздействию различных химических веществ, огнеупорность (при возгорании трубы быстро затухают сами). ПВХ характеризуется низкой токсичностью, стойкостью к размножению и развитию бактерий внутри трубопровода, отличной пропускной способностью, низкой трудоемкостью работ по установке в связи с удобной конструкцией труб, небольшим весом изделий (что актуально, если размеры и диаметры самих труб внушительны). Вероятность механических повреждений во время доставки и установки также намного ниже, нежели при использовании других, более тяжелых труб; труба из ПВХ очень экологична и не относится к канцерогенным строительным материалам. Отметим также долговечность труб: срок эксплуатации, который оговаривают производители, - 50 лет и более [7].

Для рабочей жидкости принята бочка емкостью 0,1 м3, в которой имелась возможность изменения температурного режима с помощью нагревательного элемента. К вакуумным кранам подключались восемь доильных аппаратов попарного действия. Доильные аппараты были надеты на имитатор вымени. Последний представляет собой устройство, в верхней части которого имелась емкость, а в нижней - четыре канала-соска. По ним из емкости отсасывался имитатор молока (по аналогии с выменем коровы).

Затем открывали определенное количество вакуумных кранов, включали водокольцевой вакуумный насос, который осуществлял движение имитатора молока в емкость для сбора. Вакуумметрическое давление контролировалось датчиком-реле давления. Установка работала в автоматическом режиме, т. е. при варьировании количества одновременно подключенных доильных аппаратов изменялось давление в вакуум-проводе, на которое реагировал датчик (реле давления), изменявший сигнал управления сети ПЧ. Последний в свою очередь преобразовывал частоту тока электродвигателя привода вакуумного насоса, при снижении вакуума частота уменьшалась, а при возрастании - увеличивалась. При изменении частоты изменялась частота вращения ротора асинхронного электродвигателя, а соответственно, и ротора водокольцевого вакуумного насоса.

Для снятия заданных температурных характеристик был предусмотрен датчик сопротивления и микропроцессорный двухканальный измеритель 2ТРМО 5. Датчик измерял температуру рабочей жидкости.

В процессе работы водокольцевого вакуумного насоса производились замеры мощности, затрачиваемой электродвигателем (кВт), вакуумметрического давления (Па), температуры рабочей жидкости (°С), частоты питающей сети (Гц).

В ходе планирования многофакторного эксперимента было отдано предпочтение трехуровневым, ротабельным планам второго порядка Бокса - Бенкина, как более экономичным по числу опытов и позволяющим получить минимальную дисперсию коэффициентов регрессии математической модели и независимые оценки этих коэффициентов [8].

Согласно этому методу выбрано три основных параметра энергосберегающего привода водокольцевого вакуумного насоса, подвергающихся варьированию в задаваемых пределах, которые определяли с помощью поисковых опытов, а также разработанной теории: - количество одновременно подключенных аппаратов, шт.; - внутренний диаметр вакуум-провода, м; - температура рабочей жидкости, °С.

Анализ литературных источников [2, 8, 9] показывает, что количество одновременно подключенных аппаратов, внутренний диаметр вакуум-провода и температура рабочей жидкости являются основными факторами, влияющими на процесс работы водокольцевого вакуумного насоса.

Количество одновременно подключенных доильных аппаратов изменялось и составляло в разных опытах 2, 4 или 6 шт.

Внутренний диаметр вакуум-провода (м) - это фактор, от которого зависело качество создаваемого вакуума и затраты мощности на его создание [10]. Этот диаметр варьировал следующим образом: 0,0408; 0,0514 или 0,0612 м.

Температура рабочей жидкости (°С), влияет на работу водокольцевого вакуумного насоса, ее изменяли от 15 до 45 °С (шаг - 15 °С).

Для обоснования области рационального сочетания перечисленных факторов необходима сравнительная оценка их на всех уровнях варьирования. При этом рандомизация опытов не производилась в целях экономии времени. Повторность проведения изменялась от трех до пяти таким образом, чтобы относительная гарантированная ошибка не превышала 5 %.

Экспериментальные исследования проводили при одновременном варьировании всех факторов, при этом для выявления характера воздействия отмеченных факторов на исследуемую нами величину в качестве математической модели была принята следующая зависимость:

.

Результаты и их обсуждение. В ходе проведения эксперимента нами исследовались затраты мощности водокольцевого вакуумного насоса при различной нагрузке, но стабильном вакууме.

Замер температуры рабочей жидкости проводили с микропроцессорного двухканального измерителя 2ТРМО с термометрами сопротивления.

При анализе поверхностей отклика, полученных с помощью программы Statgraphics Plus и построенных по полученной математической зависимости, следует отметить, что наибольшее влияние на мощность, затрачиваемую электродвигателем при работе водокольцевого насоса (), оказывают количество одновременно подключенных доильных аппаратов и диаметр вакуум-провода (рисунок 6).

Рисунок 6 - Зависимость мощности, затрачиваемой электродвигателем при работе водокольцевого насоса, от количества одновременно подключенных доильных аппаратов и внутреннего диаметра вакуум-провода

доильный электродвигатель водокольцевой насос

Выявлено, что при одновременном подключении доильных аппаратов от шести до двух происходит снижение мощности, затрачиваемой электродвигателем при работе водокольцевого насоса, до 2,23 кВт. Минимальные значения мощности достигаются при наибольшем значении внутреннего диаметра вакуум-провода. После раскодирования факторов модель объекта в физических величинах принимает вид:

Полученная математическая модель процесса создания вакуума позволила определить рациональные значения входящих факторов при одновременном подключении доильных аппаратов от шести до двух: температура рабочей жидкости - 20-25 °С; диаметр вакуум-провода - 0,0614 м.

Выводы.

1. Наибольшее влияние на мощность, затрачиваемую электродвигателем при работе водокольцевого насоса, оказывает количество одновременно подключенных доильных аппаратов и диаметр вакуум-провода.

2. При уменьшении количества подключенных доильных аппаратов от шести до двух происходит снижение мощности, затрачиваемой электродвигателем при работе водокольцевого насоса. Минимальные значения мощности достигаются при наибольшем значении внутреннего диаметра вакуум-провода.

3. При одновременном подключении от двух до шести доильных аппаратов оптимальное значение температуры рабочей жидкости составило 20-25 °С, а диаметр вакуум-провода - 0,0614 м.

Список литературы

1. Вагин, Б. И. Ресурсосберегающие технологии пастбищного содержания коров: моногр. / Б. И. Вагин, В. А. Шилин, О. А. Герасимова. - Великие Луки: ВГСХА, 2014. - 200 с.

2. Соляник, С. С. Повышение эффективности машинного доения коров за счет обоснования энергосберегающих режимов работы и оптимизации конструктивно-технологических параметров вакуум-силовых установок: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Соляник Светлана Сергеевна. - СПб., 2009. - 17 с.

3. Вакуумный режим в молокопроводе модернизированных доильных установок / В. Н. Шулятьев, И. Г. Конопельцев, А. А. Рылов, С. В. Сурков // Совершенствование технологий и средств механизации производства продуктов растениеводства и животноводства: материалы науч.-практ. конф. - Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007. - С. 104-107.

4. Шилин, В. А. Теоретические исследования работы водокольцевого вакуумного насоса [Электронный ресурс] / В. А. Шилин, О. А. Герасимова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - № 1(17). - 17 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=318&id=329.

5. Шилин, В. А. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы водокольцевого вакуумного насоса / В. А. Шилин, О. А. Герасимова // Вестник ВНИИМЖ: ежекварт. науч. журн. - 2014. - № 4. - С. 70-76.

6. Райзман, И. А. Жидкостнокольцевые вакуумные насосы и компрессоры / И. А. Райзман. - Казань: КГТУ, 1995. - 258 с.

7. Тенденции развития доильного оборудования за рубежом / Ю. А. Цой, Н. П. Мишуров, В. В. Кирсанов, А. И. Зеленцов. - М.: Росинформагротех, 2000. - 76 с.

8. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1972. - 200 с.

9. Хайлис, Г. А. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных / Г. А. Хайлис, М. М. Ковалев. - М.: Колос, 1994. - 169 с.

10. Шилин, В. А. Энергосберегающая система с частотно-регулируемым приводом для пастбищных комплексов / В. А. Шилин, О. А. Герасимова // Вестник ВНИИМЖ: ежекварт. науч. журн. - 2012. - № 4 - С. 136-143.

Размещено на Allbest.ru