Доильный аппарат с электропульсатором новой конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доильный аппарат с электропульсатором новой конструкции

Мировая практика ведения молочного скотоводства подтверждает доминирование машинного доения коров не только на крупных животноводческих фермах и комплексах, где используются высокопроизводительные доильные установки и роботы, но и в малых предприятиях, таких как личные подсобные и фермерские хозяйства. С 2000 года объемы поставок в Россию доильного оборудования зарубежного производства неуклонно увеличивались. Ведущими иностранными производителями на российском рынке доильного оборудования сейчас являются фирмы «Westfalia» (Германия), «De Laval» (Швеция) и S/A/ Cristensen ? Co (Дания).

На молочных фермах России в настоящее время применяются отсасывающие доильные аппараты отечественного производства, работаюшие в двухтактном (ДА-2М, АДУ-1М, АДУ-1-03, АДУ-1-04) и трехтактном режиме (ДА-ЗМ, «Волга», АДУ-1/3) с синхронным приводом доильных стаканов. Используются также доильные аппараты зарубежных фирм «Westfalia», «DeLaval», S.A. Christensen & Со (SAC).

Несмотря на все на многообразие конструкций доильных аппаратов, всем их моделям в большей или меньшей степени присущи недостатки, определяемые не соответствием рабочих параметров аппарата физиологическим требованиям животного. В основном это выражается высоким механическим воздействием на ткани соска и молочные цистерни вымени, что провоцирует воспаления и возникновение маститов. Практика показывает, что в некоторых случаях именно по этой причине выбраковывается каждая третья дойная корова.

Кроме того, доильный аппарат имеет «жесткий» режим доения и не учитывает физиологических особенностей процесса молокоотдачи у животных, вследствие чего у них возникает, так называемый, «стресс при доении» и снижается продуктивность. В результате не в полной мере осуществляется «раздой» и не используется генетический потенциал коров, что в конечном итоге приводит производителей молока к упущенной выгоде и снижает рентабельность отрасли в целом.

Для устранения существующих недостатков доильных аппаратов в Ставропольском государственном аграрном университете был разработан усовершенствованный доильный аппарат, в котором привод доильных стаканов обеспечивается принципиально новой конструкцией электропульсатора на основе линейного двигателя. Инновационная идея разработки заключается в адаптации, то есть в приспособлении электропульсатора доильного аппарата к выполнению новой функции, а именно к созданию пульсаций вакуума, которые соответствуют физиологическим особенностям процесса молокоотдачи у коров за счет замены соленоида на линейный электродвигатель.

Передвижной доильный аппарат с пульсатором на основе линейного электродвигателя (рисунок 1) содержит четыре доильных стакана 1 с сосковой резиной 2, коллектор 3, резиновые шланги 4, ведро 5 с крышкой, электропульсатор 6 с блоком управления 13. Установлен аппарат на тележке 7, на которой также размещен вакуумный насос 10 с асинхронным электродвигателем 9 и вакуумметр 11.

Доильный аппарат включается шнуром питания 12 в сеть однофазного переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Режим доения задается блоком управления 13 электропульсатора, который установлен на тележке 7.

доильный электропульсатор линейный электродвигатель

Рисунок 1 - Усовершенствованный доильный аппарат с электропульсатором на основе линейного электродвигателя: 1 - доильные стаканы; 2 - сосковая резина; 3 - коллектор; 4 - резиновые шланги; 5 - ведро с крышкой; 6 - электропульсатор; 7 - тележка; 8 - масленка; 9 - асинхронный электродвигатель; 10 - вакуумный насос; 11 - вакуумметр; 12 - шнур питания; 13 - блок управления

Отличительной особенностью электропульсатора (рисунок 2), является применение для привода клапанного механизма линейного электродвигателя новой конструкции. Внутри верхней части корпуса 1 электропульсатора расположена перегородка 2 с отверстием 3, разделяющая камеры 4 постоянного вакуума и 5 переменного вакуума. Через отверстие 3 проходит шток 6, на котором перпендикулярно закреплен якорь 7 линейного электродвигателя. Якорь 7 представляет собой сборную деталь из двух магнитопроводящих дисков 8 и немагнитной прослойки 9, расположенную между магнитопроводами 10 с намагничивающими катушками 11 и 12. Выводы 13 катушек 11 и 12 через кабельный ввод 14 подключаются к блоку управления. На штоке 6 закреплен клапанный механизм электропульсатора, который состоит из конусного 15 и тарельчатого 16 клапанов. Конусный клапан 15 жестко закреплен на конце штока 6, а тарельчатый клапан 16 - на скользящей посадке. Перемещение тарельчатого клапана 16 ограничивается упором 17. Верхняя часть корпуса 1 электропульсатора имеет патрубок 18 постоянного вакуума, соединенного через тройник с вакуумным агрегатом и патрубок 19 переменного вакуума, соединенный через коллектор с межстенными камерами доильных стаканов. В верхней части корпуса 1 имеется атмосферный канал 20 с фильтром 21, который фиксируется крышкой 22.

Рисунок 2 - Электропульсатор доильного аппарата на основе линейного электродвигателя: 1 - корпус; 2 - перегородка; 3 - отверстие; 4 - камера постоянного вакуума; 5 - камера переменного вакуума; 6 - шток; 7 - якорь; 8 - магнитопроводящие диски; 9 - немагнитная прослойка; 10 - магнитопроводы; 11, 12 - намагничивающие катушки; 13 - выводы катушек; 14 - кабельный ввод; 15 - конусный клапан; 16 - тарельчатый клапан; 17 - упор; 18 - патрубок постоянного вакуума; 19 - патрубок переменного вакуума; 20 - атмосферный канал; 21 - фильтр; 22 - крышка

Режим работы усовершенствованного доильного аппарата задается блоком управления. Когда блок управления отключен, намагничивающие катушки электропульсатора 11 и 12 обесточены, а якорь 7 находится в нижнем положении. При этом тарельчатый клапан 16 расположен внизу и под действием вакуума перекрывает отверстие 3 в перегородке 2, перекрывая подачу вакуума в камеру 5. Конусный клапан 15, соединенный посредствам штока 6 с якорем 7 линейного электродвигателя также находится в нижнем положении. Воздух атмосферного давления заполняет камеру 5 переменного вакуума, через патрубок 19 распространяется в межстенные камеры доильных стаканов. Сосковая резина сжимается, что предотвращает расход воздуха через доильные стаканы.

Рисунок 3 - Режимы работы электропульсатора на основе линейного электродвигателя: а) такт сосания; б) переходная фаза от такта сосания к такту сжатия; в) такт сжатия

После включения блока управления, на соски вымени животного надеваются доильные стаканы. В зависимости от заданного режима доения, на намагничивающие катушки 11 и 12 подаются управляющие сигналы. Линейный электродвигатель позволяет управлять динамикой перемещения якоря 7, следовательно, и конусного клапана 15. Когда якорь 7 занимает крайнее верхнее положение, конусный клапан 15 перекрывает атмосферный канал 20, при этом отверстие 3 в перегородке 2 открыто, поскольку тарельчатый клапан 16 поднимается упором 17 (рисунок 3, а). Вакуум по патрубку 18 заполняет камеру 4 постоянного вакуума и через отверстие 3 камеру 5 переменного вакуума, затем распространяется по патрубку 19 в межстенные камеры доильных стаканов. Происходит истечение воздуха из межстенных камер доильных стаканов и сосковая резина принимает свое исходное положение. Молоко под действием разности давлений внутри вымени и под сосками струей выводится в подсосковые камеры доильных стаканов, а из них по молочному шлангу отводится в доильное ведро. Происходит такт сосания.

Когда якорь 7 начинает плавно переходить в нижнее положение, конусный клапан 15 постепенно открывает атмосферный канал 20, упор 17 опускается вниз, тарельчатый клапан 16 под действием вакуума притягивается и перекрывает отверстие 3 в перегородке 2, перекрывая поступление вакуума (рисунок 3, б). Через крышку 22, фильтр 21, атмосферный канал 20 в камеру 5 переменного вакуума происходит натекание атмосферного воздуха. Вследствие разности давлений в межстенных и подсосковых камерах доильных стаканов сосковая резина начинает сжиматься, плавно обжимая соски животного. В межстенных камерах происходит переходный процесс от такта сосания к такту сжатия. Регулируя динамику перемещения конусного клапана 15 вниз при помощи линейного электродвигателя, появляется возможность управлять длительностью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия.

При крайне нижнем положении якоря 7 линейного электродвигателя атмосферный канал 20 полностью открыт, отверстие 3 в перегородке 2 по-прежнему перекрыто тарельчатым клапаном 16 (рисунок 3, в). Камера 5 переменного вакуума, патрубок 19 и межстенные камеры доильных стаканов заполнены атмосферным воздухом. Сосковая резина сжимает соски и предохраняет их от действия вакуума в подсосковых камерах доильных стаканов. Происходит такт сжатия. Затем следует переходный процесс от такта сжатия к такту сосания, длительностью которого также возможно управлять при помощи линейного электродвигателя.

Рисунок 4 - Взаимосвязь между конструктивно-режимными параметрами электропульсатора в фазах пульсаций: а) изменение формы сосковой резины в доильном стакане; б) изменение вакуума в межстенной камере доильного стакана; в) формирование управляющего сигнала на намагничивающих катушках электропульсатора; г) перемещение клапана электропульсатора; фаза а - переходная фаза от такта отдыха к такту доения; фаза b - такт доения; фаза с - переходная фаза от такта доения к такту отдыха; фаза d - такт отдыха; P, кПа - вакуум в межстенной камере доильного стакана; I, мА - ток на намагничивающих катушках электропульсатора; t, с - продолжительность одной пульсации; Х, мм - перемещение клапана электропульсатора

Продолжительность тактов сосания и сжатия задается блоком управления. В отличие от существующих моделей электропульсаторов разработанная конструкция позволяет управлять длительностью переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов (рисунок 4). Таким образом, электропульсатор на основе линейного электродвигателя позволяет формировать цикл работы доильного аппарата из тактов сосания и сжатия, а также из переходных процессов. Число циклов задается числом пульсаций, а продолжительность циклов определяет соотношение тактов. Блок управления позволяет задавать адаптивный режим доения с изменяющимися частотой пульсаций, длительностью и соотношением тактов. Оснащение электропульсатора двумя или четырьмя линейными электродвигателями позволяет осуществлять попарное доение передних и задних долей вымени или же выдаивать каждую из долей отдельно с определенным режимом.

Система управления электропульсатором настроена таким образом, что во время переходной фазы а в первой намагничивающей катушке линейного электродвигателя ток равен нулю, а во второй - возрастает до максимального, при этом клапан электропульсатора резко опускается вниз, перекрывая атмосферный клапан. Межстенная камера доильного стакана заполняется вакуумом, сосковая резина распрямляется. Для фазы а конструктивно-режимные параметры выглядят следующим образом:

t_a = 0, 1 с; I₁ = 0; I₂ ^; Х>min.

Фаза b характеризуется максимальным значением тока на второй намагничивающей катушке и обесточенным состоянием первой, в результате этого клапан перекрыт, а межстенная камера доильного стакана заполнена вакуумом, сосковая резина полностью распрямлена. Происходит такт доения. Параметры для фазы b:

t_b = 0, 4 с; I₁ = 0; I₂ = 800 мА; Х = 0.

Во время переходной фазы с якорь плавно перемещается вверх, при этом клапан открывается постепенно, подавая атмосферный воздух в межсетнные камеры доильных стаканов. Ток на первой намагничивающей катушке возрастает до максимального, а на второй уменьшается до минимального. Сосковая резина плавно сжимается. Параметры для фазы с выглядят следующим образом:

t_с = 0, 3 с; I₁ ^; I₂ v; Х>max.

Фаза d характеризуется максимальным значением тока на первой катушке и обесточенным состоянием второй. Якорь линейного электродвигателя удерживается в верхнем положении, в результате этого клапан электропульсатора открыт, а межстенные камеры доильных стаканов заполнены атмосферным воздухом, сосковая резина находиться в сжатом состоянии. Происходит такт отдыха. Параметры для фазы d:

t_d = 0, 2 с; I₁ = 800 мА; I₂ = 0; Х = max.

Затем процесс циклично повторяется в таком же порядке.

Основными параметрами электропульсатора являются параметры (форма и размеры) конусного клапана и усилие на якоре линейного двигателя.

Для того, чтобы конструкция конусного клапана (угол конуса принят равным 60^о) оказывала минимальное сопротивление воздушному потоку при натекании атмосферного воздуха в межстенные камеры доильных стаканов во время переходных процессов от такта сосания к такту сжатия, коэффициент сопротивления е_К должен быть минимальным. Это позволит регулировать длительность переходных процессов путем перемещения конусного клапана. Анализируя плоскости зависимостей коэффициента сопротивления е_К конусного клапана от перемещения X₁ при различных диаметрах D_А атмосферного канала (рисунок 5), а также учитывая условие , минимальное значение е_К достигается при перемещении X₁ равном:

.

Рисунок 5 - Графики зависимостей коэффициента сопротивления е_К конусного клапана при различных отношениях перемещения X₁ и диаметра D_А атмосферного канала

Рисунок 6 - Вид зазора, через который происходит натекание воздуха

При перемещении клапана изменяется зазор, через который происходит натекание атмосферного воздуха в межстенные камеры доильных стаканов. Площадь S_З зазора представляет собой площадь боковой поверхности правильного усеченного конуса (рисунок 6). Таким образом, площадь S_З зазора, определяется по формуле:

,

где D_У - диаметр нижнего основания зазора, м;

X_У - высота зазора, м.

В конструкции линейного двигателя для привода клапанного механизма пульсатора на якорь действует сила F, вызванная изменением магнитного поля в воздушном зазоре. В двухмерной магнитостатической задаче сила F определяется формулой:

,

где S - площадь поперечного сечения намагничивающих катушек, м².

Площадь S поперечного сечения намагничивающих катушек представляет собой площадь круга, диаметром D_К и определяется по формуле:

Тогда решением уравнения будет частный случай формулы Максвелла:

Рисунок 7 - Зависимости изменения магнитной индукции и усилия на якоре линейного двигателя от его перемещения

Расчет магнитной системы двигателя показал, что значение магнитной индукции B в воздушном его зазоре равное 0, 1 Тл, позволяет создавать усилие F на якоре 5 Н (рисунок 7). При этом величина токов i₁ и i₂ на катушках линейного двигателя изменяется от 0 до 400 мА.

Испытания опытного образца электропульсатора были проведены в лабораториях кафедр «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» и «Машины и технологии агропромышленного комплекса» Ставропольского государственного аграрного университета. Работоспособность электропульсатора была проверенна на агрегате индивидуального доения АИД-1. Конструкция электропульсатора и линейного электродвигателя, а также принцип их работы защищены семью патентами на изобретение и полезные модели. Разработка отмечена дипломами и медалями в различных международных выставках. Доведение данной разработки до конечного продукта повлечет научные, экономические и социальные выгоды. Появится возможность более детально изучить влияние переходных процессов в межстенной камере доильного стакана на продуктивность коров, разработать режимы доения с пульсациями соответствующими физиологическим особенностям процесса молокоотдачи. Конечные потребители получат более функциональную доильную технику меньшей стоимости, которая снизит травмирование животных, заболеваемость их маститами, увеличит молочную продуктивность коров, что поспособствует обеспечению продовольственной безопасности страны. Производители доильного оборудования смогут повысить конкурентоспособность отечественной доильной техники. А серийное производство разработанного электропульсатора создаст новые рабочие места.

Разработанный электропульсатор представляет собой конструктивно законченный модуль и соответствует принципу открытой архитектуры. Данный принцип позволяет потребителям самостоятельно расширять возможности своих доильных аппаратов, приобретая отдельные блоки и самостоятельно устанавливать их в базовую комплектацию [74] Такой подход применяют отечественные производители доильной техники, комплектуя свою продукцию импортными электропульсаторами.

Данные производственных испытаний усовершенствованного доильного аппарата позволили определить экономическую эффективность модернизации доильных машин путем комплектования доильных аппаратов электропульсаторами, применительно к разным типоразмерам молочных ферм.

В результате оценки эффективности установлено, что для молочной фермы с поголовьем 200 коров годовой экономический эффект составит 490 тыс. рублей., а для семейной фермы со стадом в 10 коров - 36 тыс. рублей.

Чистый дисконтированный доход за трехлетний расчетный период применения усовершенствованного доильного аппарата АИД-1 равен 12, 3 тыс. руб. в пересчете на одну корову. При этом срок окупаемости капитальных вложений составит 8 месяцев, а рентабельность - 144, 62 %. Чистый дисконтированный доход за такой же расчетный период применения предлагаемой разработки на ферме с поголовьем 200 коров, равен 8, 7 тыс. руб. на одну корову. Срок окупаемости доильной установки УДА-16 «Елочка» 26, оборудованной электропульсаторами на основе линейного двигателя, составит 22 месяца, при рентабельности использования 46, 15 %.

На наш взгляд, материал статьи представляет научно-практическую значимость для ученых и конструкторов, занимающихся усовершенствованием и разработкой новых доильных машин, для руководителей и работников молочного скотоводства, а также для студентов средних профессиональных и высших учебных заведений.

Размещено на Allbest.ru