Львівський державний аграрний університет

Кондур Сергій Миронович

УДК 637.11

Параметри і режими роботи електромагнітного вакуумного регулятора доїльного апарата

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Сиротюк Валерій Миколайович, Львівський державний
аграрний університет, в.о. професора кафедри механізації
тваринництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фененко Анатолій Іванович, Національний науковий центр
“Інститут механізації і електрифікації сільського
господарства” УААН, завідувач відділу механізації заготівлі
кормів і виробництва молока;

кандидат технічних наук, доцент,

Грицаєнко Володимир Іванович, Інститут тваринництва
УААН, старший науковий співробітник лабораторії
механізації виробничих процесів у молочному скотарстві
відділу механізації і автоматизації виробничих процесів у
тваринництві.

Провідна установа: Національний аграрний університет, кафедра механізації
тваринництва, Кабінет Міністрів України, м. Київ.

Захист відбудеться “11” листопада 2003 року о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська обл., Жовківський р-н, м. Дубляни, вул. В. Великого, 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34М.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного аграрного університету за адресою: 80381, Львівська обл., Жовківський р-н,
м. Дубляни, вул. В. Великого, 1, головний корпус.

Автореферат розісланий “10” жовтня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ковалишин С.Й.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У технології виробництва молока особливе місце займає процес машинного доїння внаслідок складності фізіологічного процесу молоковіддачі та безпосередньої взаємодії машини і тварини.

Максимальної ефективності доїння можна досягти оптимізацією умов окремо для кожної тварини, які можуть бути забезпечені лише впровадженням у виробництво автоматизованої системи управління технологічними процесами (АСУ ТП) виробництва молока.

Одним із найважливіших інформативних показників машинного доїння є інтенсивність молоковіддачі, у функції якої повинна бути здійснена автоматична адаптація режимів роботи доїльного апарата, зокрема вакуумметричного тиску. Вакуумметричний тиск у доїльних апаратах змінюється, як правило, за допомогою дво- і тритрубної вакуумпровідної системи, до якої залежно від умов доїння вони приєднується. Вакуумні регулятори в доїльних установках забезпечують лише задану величину і стабільність вакууму в молокопровідних і вакуумних магістралях. У такому разі адаптувати вакуумметричний режим роботи кожного окремо взятого доїльного апарата залежно від інтенсивності молоковіддачі неможливо без застосування індивідуального регулятора. Існуючі засоби регулювання вакуумметричного тиску за низкою ознак не відповідають умовам сумісної їх роботи з АСУ ТП виробництва молока.

У зв’язку з цим дослідження параметрів і режимів роботи індивідуального регулятора вакуумметричного тиску доїльного апарата є актуальними, оскільки спрямовані на розв'язання науково-технічної задачі автоматичного адаптування вакуумного режиму доїльного апарата до умов доїння.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до національної програми науково-дослідних робіт в галузі аграрного виробництва, зокрема проекту “Ферма-автомат майбутнього на 800 голів” (“ФАМ-800”), державної науково-технічної програми 2001-2005рр. “Технології та комплекси машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва”, зокрема п.1.2.6 “Доїльний апарат з управлінням доїння на основі зворотного зв’язку в залежності від потоку молока”, і є складовою частиною комплексної теми факультету механізації сільського господарства Львівського державного аграрного університету “Розробка, впровадження енергозберігаючих механізованих процесів, технологій і систем аграрного виробництва та технічних засобів їх реалізації” (номер державної реєстрації 0100U002333).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності машинного доїння шляхом оперативного регулювання в доїльному апараті вакуумметричного тиску залежно від інтенсивності молоковіддачі завдяки обгрунтуванню конструктивних параметрів та режимів роботи електромагнітного вакуумного регулятора.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати такі задачі:

- проаналізувати способи і засоби регулювання вакуумметричного тиску в системах доїння, параметри, що характеризують режим доїння та окреслити напрямки адаптації роботи доїльного апарата до умов доїння;

- провести теоретичні дослідження встановлення вакуумметричного режиму доїльного апарата індивідуальним регулятором вакуумметричного тиску електромагнітного типу, виявити взаємозв’язок між його параметрами, режимами роботи та функціональними показниками;

- експериментально дослідити динаміку якоря-клапана електромагнітного регулятора і залежність вакуумметричного тиску в доїльному апараті від режимів живлення регулятора для змінних інтенсивності молоковіддачі та витрати повітря доїльним апаратом;

- встановити залежність між зведеним коефіцієнтом місцевих втрат вакуумметричного тиску в регуляторі та геометричними параметрами прохідного перетину його клапана;

- розробити і виготовити індивідуальний регулятор вакуумметричного тиску електромагнітного типу, провести лабораторні та виробничі випробування обладнаного ним доїльного апарата й оцінити його техніко-економічну ефективність.

Об’єктом дослідження є процес адаптації вакуумметричного режиму роботи доїльного апарата до умов доїння та індивідуальний регулятор вакуумметричного тиску електромагнітного типу.

Предметом дослідження є встановлення взаємозв’язку між геометричними, динамічними та енергетичними параметрами електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску та режимами роботи обладнаного ним автоматизованого доїльного апарата, їх вплив на ефективність його роботи.

Методи дослідження. Для з’ясування швидкісних характеристик потоку повітря у вакуумному шланзі доїльного апарата використано методи газової динаміки, обгрунтування параметрів регулятора – методи механіки. Під час проведення експериментальних досліджень використовували методи тензометрії, планованого експерименту та статистичні методи опрацювання результатів досліджень, для моделювання процесів – методи інформаційних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено математичну модель роботи електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску з плоским якорем-клапаном, на основі якої обґрунтовано параметри, що забезпечують його працездатність;

-

-

- експериментально встановлено кореляційний взаємозв’язок між втратами вакуумметричного тиску в регуляторі, параметрами прохідного перетину та витратою повітря доїльним апаратом;

- удосконалено спосіб машинного доїння, який передбачає зміну вакуумметричного тиску і співвідношення тактів стиску та ссання залежно від інтенсивності молоковіддачі, при зниженні інтенсивності молоковіддачі менше 0,2 л/хв доїльний апарат відключається у такті стиску.

Новизна технічних рішень, прийнятих під час розробки регулятора вакуумметричного тиску електромагнітного типу захищена деклараційним патентом України на винахід №49127 А.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці пристрою для реалізації пропонованого способу машинного доїння – індивідуального електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску, обладнання яким автоматизованого доїльного апарата дозволить забезпечити дистанційне управління режимами його роботи залежно від інтенсивності молоковіддачі, знизити шкідливий вплив доїльного апарата на тварину, уникнути втрат молока та підвищити продуктивність праці оператора машинного доїння. Розроблено методики інженерного розрахунку елементів електромагнітного регулятора з плоским якорем-клапаном, експериментальних досліджень динаміки якоря-клапана регулятора, залежності вакуумметричного тиску в доїльному апараті від режимів живлення регулятора для змінних інтенсивності молоковіддачі і витрати повітря доїльним апаратом та дослідження зведеного коефіцієнта місцевих втрат вакуумметричного тиску в регуляторі.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень передані у Науково-дослідний і проектний інститут приладів автоматичного регулювання і систем управління (НДПІ ПАР і СУ) “Промприлад” і реалізовані у трьох експериментальних зразках автоматизованої індивідуальної доїльної установки, а також у ВАТ “Брацлав” Вінницької області для впровадження у виробництво.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані автором особисто. Запропоновано вдосконалений спосіб машинного доїння корів та пристрій для його реалізації.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, внесок здобувача наступний: ним розроблено лабораторну установку, методику і проведено експериментальні дослідження динаміки якоря-клапана та залежності вакуумметричного тиску в доїльному апараті від режимів живлення регулятора для змінних інтенсивності молоковіддачі та витрати повітря доїльним апаратом [2]; розроблено дослідну установку, методику та проведено експериментальні дослідження втрат тиску в електромагнітному регуляторі [3]; встановлено необхідність здійснення управління режимом доїння, обґрунтовано введення в АСУ ТП виробництва молока автоматизованого доїльного апарата зі змінним режимом роботи, розроблено структурну схему його функціонування [9,10,12]; сформульовано взаємозв’язок між параметрами електромагніту регулятора, положенням якоря-клапана і обертовим моментом, створюваним електромагнітною силою [11]; розроблено методику інженерного розрахунку елементів електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску з плоским якорем-клапаном [13]; сформульовано умову працездатності електромагнітного регулятора з плоским якорем-клапаном [14]; обґрунтовано тип та основні конструктивні елементи електромагнітного регулятора, будову автоматизованого доїльного апарата, що входить до складу АСУ ТП виробництва молока [17,19]; розглянуто умову руху повітря у вакуумпроводі доїльного апарата [7].

У технічному рішенні, яке захищене деклараційним патентом України на винахід, частка кожного співавтора однакова.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень, виконаних за темою дисертації, доповідались і отримали позитивну оцінку на ІХ Міжнародному симпозіумі з машинного доїння сільськогосподарських тварин (м. Оренбург, 1997р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Механізація і автоматизація технологічних процесів у молочному скотарстві (м. Львів, 1999р.); Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій пам’яті професора Євгена Храпливого “Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу” (м. Львів, 1999р.); Науково-практичному семінарі молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (м. Київ-Чабани, 1999р.); Міжнародному науковому конгресі молодих вчених та студентів “Здоров’я села – здоров’я держави” (м. Львів, 2000р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Еколого-економічні проблеми розвитку АПК” (м. Львів, 2002р.); Міжнародній науково-технічній конференції ННЦ “ІМЕСГ” “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха, 2002р.); науково-звітних конференціях здобувачів та аспірантів Львівського ДАУ (м. Львів, 1997 – 2002рр.).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковано у 21 друкованій праці, у тому числі 14 статей у фахових збірниках наукових праць, одна стаття у науковому журналі, один патент України на винахід і п’ять тез доповідей на міжнародних симпозіумі, науково-практичних конференціях, науковому конгресі та науково-практичному семінарі, з яких 6 – особистий здоробок автора. Загальний обсяг публікацій становить 4,5 друк. арк.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 154 найменувань та додатків. Основна частина викладена на 145 сторінках, містить 15 таблиць, 69 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі – “Аналіз методів і засобів регулювання вакуумметричного тиску” – проаналізовано фізіологічні аспекти доїння тварин, зокрема вплив на процес молоковіддачі як умовних, так і безумовних рефлексів, дію підготовчо-заключних операцій на процес машинного доїння. Проаналізовано роботи І.Г. Велітка, Е.П. Кокоріної, Е.І. Адміна, В.П. Саврана,
Е.А. Келпіса, К.І. Кавешнікової, П.І. Огороднікова, Л.П. Карташова,
У.Г. Уіттлстоуна, В.Ф. Корольова, А.І. Фененка та інших, які займались проблемами фізіології та механізації доїння корів.

На підставі аналізу літературних джерел встановлено, що розроблені на даний час засоби для регулювання режимів роботи доїльного апарата, таких як частота пульсацій, співвідношення тактів та вакуумметричний тиск залежно від інтенсивності молоковіддачі, дозволяють, як правило, здійснювати кероване втручання у процес доїння одночасною зміною одного або кількох згаданих параметрів. Слід зазначити, що питанню регулювання вакуумметричного тиску залежно від інтенсивності молоковіддачі на сьогодні приділялась не достатня увага. Підтвердженням актуальності даного питання можуть служити доїльні установки з дво- та тритрубними вакуумними магістралями і низка запропонованих конструкцій індивідуальних регуляторів вакуумметричного тиску гравітаційного типу.

У результаті огляду, аналізу та оцінки існуючих засобів автоматизації роботи доїльного апарата можна стверджувати, що найефективнішими з них є ті, які ґрунтуються на методі індивідуального регулювання в ньому вакуумметричного тиску залежно від інтенсивності молоковіддачі і реалізуються за допомогою регулятора тиску електромагнітного типу. Наведені аргументи, а також відсутність достовірних і систематизованих даних про такі типи регуляторів зумовили вибір теми дисертації, визначили її мету та завдання.

У другому розділі – “Теоретичні передумови до визначення параметрів регулятора вакуумметричного тиску електромагнітного типу” – проведено аналіз і моделювання сил, що діють на якір-клапан регулятора, та обґрунтовано основні його параметри.

Вакуумметричний тиск на виході індивідуального регулятора (у молокозбірному бідоні) визначається як:

, (1)

де Рм – вакуумметричний тиск у вакуумпроводі, Па; ?Рр – втрати вакуумметричного тиску у вакуумному регуляторі, Па; ?Рл – втрати вакуумметричного тиску в арматурі доїльного
апарата, Па.

Регулювання вакуумметричного тиску у молокозбірному бідоні здійснюється за рахунок зміни втрат вакуумметричного тиску у вакуумному регуляторі ?Рр, які визначаються сумарною дією на якір-клапан електромагнітної Fе та гравітаційної Fгр сил і сили динамічного тиску потоку повітря Fд, а також місцевих втрат вакуумметричного тиску ?Рw (рис.1).

Відомо, що втрати вакуумметричного тиску в регуляторі електромагнітного типу пропонованої конструкції, розраховуються за наступним рівнянням:

, (2)

де Fе, Fгр, Fд – відповідно сили електромагнітна, гравітаційна і динамічного тиску, Н; Sк – площа клапана, м2; Рw – місцеві втрати тиску, Па.

Аналізом та проведеним за допомогою ЕОМ моделювання сил, які діють на якір-клапан регулятора встановлено, що здійснювати керовані втручання у вакуумметричний режим доїльного апарата можна зміною електромагнітної сили Fе.

Для випадку роботи регулятора із рухом якоря-клапана паралельно сідлу (див. рис.1) електромагнітна сила Fе розраховується як:

, (3)

де ІW – ампер-витки електромагніту, А; Sм – сумарна площа магнітопроводу, м2; мо – магнітна проникність у вакуумі, Гн/м; д – початковий зазор між якорем-клапаном та магнітопроводом, м;
h – висота підйому якоря-клапана, м.

Змоделювавши електромагнітну силу, одержано графічну її залежність від висоти підйому якоря-клапана для різних значень ампер-витків електромагніту регулятора та початкового зазору між якорем-клапаном і магнітопроводом (рис.2).

Аналіз залежностей показує, що в діапазоні висоти підйому якоря-клапана
0 ‹ h ‹ 0,0015 м можливо за рахунок зміни параметрів живлення електромагніту суттєво регулювати електромагнітну силу, що діє на клапан. Зокрема, для більшого значення ампер-витків IW (порівнюючи IW = 100 та IW = 400) електромагнітна сила Fe для висоти підйому клапана
h = 0,0005 м становить відповідно 25,4 Н та 2,79 Н для д = 0,0005 м і 11,1 Н та 0,69 Н – для
д = 0,001 м. За умови h ? 0 електромагнітна сила Fe ? 8 , що уможливлює “залипання” якоря-клапана і втрату працездатності регулятора. Внутрішнє кільце магнітопроводу повинне дещо виступати над зовнішнім, що уможливить обов’язкову наявність початкового зазору д.

Оскільки між значеннями електромагнітної сили та висотою підйому якоря-клапана існує обернено-квадратична залежність (3), то для певних співвідношень між діаметрами магнітопроводу D i D1 (рис.3) можлива ситуація, за якої якір-клапан займе стійке похиле положення і регулятор втратить працездатність. Очевидно, що лише за умови М2+М3?М1 якір-клапан займе горизонтальне положення, чим забезпечить працездатність регулятора. Її розглянуто за умови, що товщина магнітопроводу h1 та h2 мала порівняно з його діаметрами D1 та D, у такому випадку, обертовий момент М1, що діє на якір-клапан відносно точки О, можна записати у вигляді:

, (4)

де .

Моменти М2 і М3 виразимо як

. (5)

. (6)

Підставивши в рівняння (4), (5) і (6) значення електромагнітної сили Fе (3) з врахуванням зміни зазору в магнітопроводі залежно від кута ц за умови д0 = 0 і

, (7)

одержимо систему рівнянь моментів, що діють на якір-клапан:

, (8)

де ;

, (9)

де ;

, (10)

де .

Моменти від дії сил гравітації знайдуться як:

; (11)

. (12)

Використання умови рівності моментів та рівнянь (8 – 12) дозволяє змоделювати процес роботи електромагнітного регулятора з плоским якорем-клапаном і на підставі цього обгрунтувати конструктивні параметри магнітопроводу, за яких забезпечується його працездатність та стійкість роботи.

У процесі роботи регулятора можливий випадок, за якого якір-клапан буде дотикатись до магнітопроводу одним кінцем, а другий здійснюватиме коливні рухи навколо деякої точки дотику А (рис.4). Для даного випадку питання працездатності регулятора вирішено з врахуванням товщини магнітопроводу h1 та h2 електромагніту. Елементарна електромагнітна сила, яка діє на елементарну площу якоря-клапана, запишеться як:

, (13)

де dx?dy – елементарна площа; б – кут нахилу якоря-клапана, град.; k – коефіцієнт, що враховує конструктивні параметри електромагніту.

Для розглядуваного випадку елементарний обертальний момент, викликаний дією електромагнітної сили, відносно точки А визначиться за формулою

. (14)

Загальний обертальний момент навколо точки дотику А буде рівним:

, (15)

де D – площа торцевої поверхні магнітопроводу, м2.

Розв’язком рівняння (15) є аналітична залежність обертового моменту навколо точки дотику якоря-клапана від параметрів магнітопроводу.

, (16)

де .

Провівши моделювання моменту електромагнітної сили (16) відносно точки дотику якоря-клапана у функції від геометричних параметрів магнітопроводу (товщини зовнішнього та внутрішнього кільця h1 = 0,001 м і h2 = 0,003 м), внутрішнього радіуса сідла клапана R0 = 0,005 м та ампер-витків IW = 100 – 400 і кута нахилу якоря-клапана б, ми встановили, що за умови б > 0, згідно з (13 – 16), Fe ? ? і Ма > ?. Отже, можливе “залипання” якоря-клапана і регулятор втратить свою працездатність. Згідно з проведеним аналізом працездатність регулятора буде забезпечена у випадку його роботи з кутом нахилу якоря-клапана в межах 1о = б = 6о, що відповідає початковому зазору між якорем-клапаном та магнітопроводом Дh = 0,0002 – 0,0013 м.

Під час роботи регулятора вакуумметричного тиску можливий випадок, коли якір-клапан здійснює коливний рух не відносно крайової точки А (яка лежить на зовнішньому кільці магнітопроводу), а відносно точки, що знаходиться на внутрішньому кільці магнітопроводу В (див. рис.4). У такому випадку на якір-клапан діють направлені у протилежні боки обертальні моменти, викликані електромагнітною силою.

Сумарний момент електромагнітної сили відносно осі, що проходить через точку дотику якоря-клапана В до сідла, враховуючи товщини кілець магнітопроводу, запишеться як:

, (17)

де k = (ІW)2?м0.

Проінтегрувавши рівняння (17), одержимо вираз для визначення сумарного обертального моменту від дії електромагнітної сили у випадку дотику якоря-клапана до внутрішнього кільця магнітопроводу:

, (18)

де

Змоделювавши залежність початкової висоти підйому якоря-клапана від геометричних параметрів магнітопроводу R1, R та кута нахилу б = 1о – 6о, ми встановили, що для початкової висоти підйому якоря Дh = 0,0002 – 0,0013 м, за якої зберігається працездатність регулятора, величина R1 – R знаходиться в межах 0,008 – 0,014 м. Подальше її збільшення призводить до зростання габаритних розмірів електромагніту, а відповідно й самого регулятора.

Провівши за допомогою ЕОМ моделювання рівняння (18) у функції від зовнішнього радіуса магнітопроводу R1 (R1 = 0,021 – 0,03 м) та ампер-витків IW (IW = 50 – 400), задавшись радіусом перепускного отвору R0 = 0,005 м, зовнішнім радіусом внутрішнього кільця магнітопроводу R = 0,008 м, початковим зазором ?h, ми одержали графічну залежність (рис.5) обертового моменту МВ навколо точки дотику якоря-клапана до магнітопроводу.

Аналіз графічної залежності (рис. 5) свідчить, що збільшення зовнішнього радіуса магнітопроводу і ампер-витків електромагніту призводить до зростання обертового моменту, який діє на якір-клапан та перекошує його в один бік, що призводить до “залипання” клапана і втрати працездатності регулятора.

Виходячи з умови забезпечення пропускної здатності клапана регулятора, що визначається радіусом перепускного отвору магнітопроводу R0, матеріаломісткості і компактності регулятора, що залежать від зовнішнього радіуса магнітопроводу R1, та працездатності пропонованої конструкції регулятора, за розробленою методикою розрахунку основних конструктивних параметрів електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску з плоским якорем-клапаном для розглядуваних умов розраховано основні геометричні параметри магнітопроводу, які відповідно становлять: радіус перепускного отвору R0 = 0,01 м, зовнішній радіус магнітопроводу R1 = 0,021–0,023 м, зовнішній радіус котушки електромагніту R2 = 0,02 м, товщина магнітопроводу b = 0,003 м, висота магнітопроводу l = 0,012 м, кількість витків дроту у котушці W = 2000, діаметр дроту dдр=0,015мм, початковий зазор між якорем-клапаном та магнітопроводом
Дh = 0,0005 – 0,001 м.

У третьому розділі – “Програма і методика експериментальних досліджень електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску” – наведено програму та описано обладнання, прилади, дослідні установки і методики проведення експериментальних досліджень. Програмою експериментальних досліджень передбачалось розв’язання наступних основних задач: встановлення впливу електромагнітної сили, що діє на якір-клапан, на процес встановлення вакуумметричного тиску у доїльному апараті; визначення функціонального взаємозв’язку між вакуумметричним тиском у доїльному апараті та струмом у котушці електромагніту залежно від впливу таких дестабілізуючих факторів, як витрата повітря доїльним апаратом і інтенсивність молоковіддачі; експериментальна перевірка і виявлення основних закономірностей зміни вакуумметричного тиску у доїльному апараті залежно від геометричних параметрів регулятора; встановлення зведеного коефіцієнта місцевих втрат тиску та дослідження динаміки його клапана.

Для проведення передбачених програмою експериментальних досліджень виготовлено лабораторну установку (рис.6) і спеціальні пристрої. Зокрема, виготовлено оптичний давач переміщень та електронний підсилювач, які дозволили відслідковувати динаміку та фіксувати просторове положення якоря-клапана, високочутливі тензодавачі вакуумметричного тиску та спеціальну конструкцію регулятора, що уможливила проведення експериментальних досліджень.

Наведені методики двофакторних планованих експериментів для трьох рівнів типу 3к
(к – число факторів), за якими проводились експериментальні дослідження залежності вакуумметричного тиску у доїльному апараті від струму в котушці електромагніту для змінних витрати повітря та інтенсивності молоковіддачі і зведеного коефіцієнта втрат вакуумметричного тиску у регуляторі з плоским якорем-клапаном, динаміки якоря-клапана.

У четвертому розділі – “Результати експериментальних досліджень електромагнітного регулятора вакуумметричного тиску” – проведенням двофакторних планованих експериментів встановлено кореляційну залежність між вакуумметричним тиском у доїльному апараті та струмом у котушці електромагніту для змінних витрати повітря (19) та інтенсивності молоковіддачі (20):

, (19)

, (20)

де Q – витрата повітря доїльним апаратом, м3/год; І – струм живлення електромагніта, А;
q – інтенсивність молоковіддачі, л/хв.

Характер залежностей Рв = f(Q, I) та Рв = f(q, I) наведено на рис.7. Їх аналіз свідчить, що зміною параметрів живлення електромагніту регулятора можна здійснювати керовані втручання у процес регулювання вакуумметричного тиску в доїльному апараті.

Досліджено динаміку якоря-клапана, аналіз якої підтвердив, що регулятор працює в режимі, для якого характерне положення якоря-клапана з дотиком до внутрішнього або зовнішнього кільця магнітопроводу з початковою амплітудою до 0,14 мм, частотою 10 – 15 Гц і періодом затухання 0,3с.

У результаті проведених двофакторних планованих експериментів досліджено місцеві втрати вакуумметричного тиску у регуляторі пропонованої конструкції для випадку плоскопаралельного (21) та похилого (22) положення якоря-клапана. Одержано кореляційні рівняння для розрахунку втрат вакуумметричного тиску залежно від параметрів прохідного перетину клапана та витрати повітря доїльним апаратом.

(21)

(22)

Місцеві втрати вакуумметричного тиску в регуляторі визначаються як:

, (23)

де ж – безрозмірний зведений коефіцієнт місцевих втрат тиску; Vпа – усереднена швидкість повітря в зазорі між якорем-клапаном і сідлом, м/с; с – густина повітря, кг/м3.

Враховуючи результати проведених досліджень зведений коефіцієнт місцевих втрат тиску в регуляторі знайдено за умови

. (24)

Значення коефіцієнта ж змінюється в діапазоні від 0,18 до 8,36 при варіюванні висоти підйому якоря-клапана в межах 0,03 – 0,11 мм.

У результаті перевірки у виробничих умовах автоматизованого доїльного апарата зі змінним режимом роботи, обладнаного електромагнітним регулятором, підтверджено його працездатність. Встановлено, що відхилення між реальним вакуумметричним режимом роботи доїльного апарата та згідно з пропонованим способом доїння становлять не більше 0,94 кПа, що відповідає вимогам.

У п’ятому розділі – “Економічна ефективність машинного доїння корів автоматизованим доїльним апаратом з індивідуальним регулятором вакуумметричного тиску” – показано, що економічний ефект від впровадження автоматизованого доїльного апарата, до складу якого входить електромагнітний регулятор вакуумметричного тиску, досягається головним чином за рахунок його технологічної складової. Розроблений автоматизований доїльний апарат, обладнаний індивідуальним регулятором вакуумметричного тиску, дозволяє: автоматично, залежно від поточної інтенсивності молоковіддачі, адаптувати режими роботи доїльного апарата до умов доїння і забезпечити “м’яке доїння” за рахунок зміни співвідношення тактів та вакуумметричного тиску в доїльних стаканах; виключити необхідність слідкування оператором за процесом доїння завдяки автоматичному відключенню доїльного апарата в кінці доїння внаслідок пониження вакуумметричного тиску в камерах доїльних стаканів і зупинки пульсатора у такті стиску; виключити операцію машинного додоювання шляхом переходу доїльного апарата у режим ощадного доїння, що забезпечить підвищення продуктивності праці оператора машинного доїння; підвищити молочну продуктивність корів за рахунок роздою корів і запобігання їх захворюванню маститами; зменшити затрати на лікування тварин та збільшити термін їх продуктивного використання внаслідок зменшення захворювань вим’я. Економічний ефект від обладнання автоматизованого доїльного апарата індивідуальним регулятором вакуумметричного тиску складає 30,56 грн. за рік на одну корову, продуктивність праці оператора машинного доїння зростає в 1,5 раза.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене нове вирішення науково-технічної задачі, що полягає у розробці конструкції, обгрунтуванні параметрів та режимів роботи індивідуального електромагнітного вакуумного регулятора з плоским якорем-клапаном. Максимальна ефективність функціонування біотехнічної системи оператор-машина-тварина під час машинного доїння можлива за умови забезпечення оптимального співвідношення параметрів технічної і біологічної підсистем автоматичною адаптацією режимів роботи доїльного апарата до умов доїння (інтенсивності молоковіддачі), зокрема регулювання вакуумного режиму за допомогою індивідуального регулятора, сумісного з АСУ ТП виробництва молока.

2. Отримано аналітичні залежності, які уможливлюють розрахунок конструктивних параметрів магнітопроводу електромагніту регулятора з плоским якорем-клапаном. Моделюванням на ЕОМ за допомогою розробленої математичної моделі обґрунтовано параметри, що забезпечують його працездатність. З умови пропускної здатності і матеріаломісткості рекомендуються наступні параметри регулятора: зовнішній радіус магнітопроводу
R1 = 0,021 – 0,023 м; радіус перепускного отвору клапана R0 = 0,01 м; висота магнітопроводу
l = 0,011 – 0,012 м; товщина магнітопроводу b = 0,003 м; початковий зазор між якорем-клапаном та магнітопроводом Дh = 0,0005 – 0,001 м, кількість перепускних отворів у якорі-клапані – 8, з сумарною площею не менше 7,85?10-5 м2.

3. Експериментально встановлено, що плоский якір-клапан в діапазонах зміни витрати повітря доїльним апаратом від 0,5 до 4 м3/год та динаміки його, викликаної роботою пульсатора, інтенсивності молоковіддачі від 0,2 до 5,0 л/хв забезпечує аперіодичний режим роботи клапана регулятора. Коливання якоря-клапана відносно точки контакту з магнітопроводом, що має місце за деякого співпадання режимів роботи доїльного апарата, є затухаючим, з початковою амплітудою до 0,14 мм, частотою 10 – 15 Гц і періодом затухання 0,3 с.

4. Одержане рівняння регресії взаємозв’язку вакуумметричного тиску на виході регулятора, інтенсивності молоковіддачі та струму в котушці електромагніта регулятора (при заданій кількості витків) дозволяє визначити силу струму, необхідну для забезпечення заданого вакуумного режиму доїльного апарата, що відповідає умовам доїння. Для діапазонів зміни інтенсивності молоковіддачі в межах від 0,4 до 4,0 л/хв та струму в котушці електромагніта регулятора в межах від 0,02 до 0,22 А значення вакуумметричного тиску змінюється в діапазоні від 53,4 до 8,8 кПа. Причому менші значення вакуумметричного тиску досягаються за більшої сили струму у електромагніті і інтенсивнішій молоковіддачі.

5. Експериментально встановлено, що зміна висоти підйому якоря-клапана в межах 0,03 – 0,11 мм призводить до втрати вакуумметричного тиску в регуляторі від 29,1 кПа до 1,21 кПа, причому більші втрати вакуумметричного тиску відповідають меншій висоті підйому клапана.

6. Результати проведених експериментальних досліджень підтверджують теоретичні положення щодо можливості встановлення вакуумметричного режиму роботи доїльного апарата шляхом зміни параметрів живлення електромагніта індивідуального регулятора та достатню обґрунтованість геометричних параметрів вакуумного регулятора .

7. Дослідження доїльного апарата, обладнаного індивідуальним регулятором вакуумметричного тиску електромагнітного типу, у виробничих умовах підтвердило його працездатність, відповідність і стабільність у часі основних режимів. Відхилення реальних значень вакуумметричного тиску у доїльному апараті від заданих згідно з пропонованим способом доїння не перевищувало 0,94 кПа.

8. Очікуваний економічний ефект від впровадження автоматизованого доїльного апарата, обладнаного електромагнітним регулятором вакуумметричного тиску, у складі АСУ ТП виробництва молока становитиме 30,56 грн. на одну корову в рік. Підвищиться молочна продуктивність корів (зростання надоїв молока) за рахунок їх роздою і запобігання захворюванням маститами, зменшаться затрати на лікування тварин та збільшиться термін їх продуктивного використання. Продуктивність праці оператора машинного доїння зросте в 1,55 раза за рахунок виключення операції машинного додоювання.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21. Кондур С.М. Вибір та обгрунтування конструкції регулятора вакуумметричного тиску для доїльного апарата //Тези Міжнар. наук. конгресу молодих вчених та студентів “Здоров’я села – здоров’я держави” . – Львів; Дубляни: ЛДМУ ім. Д. Галицького, ЛДАУ. – 2000. – С.51-52.

АНОТАЦІЇ

Кондур С.М. Параметри і режими роботи електромагнітного вакуумного регулятора доїльного апарата. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Львівський державний аграрний університет, Львів, 2003.

Дисертаційне дослідження присвячене питанням підвищення ефективності машинного доїння внаслідок розв’язання науково-технічної задачі адаптації режимів роботи доїльного апарата до умов доїння. Удосконалено спосіб машинного доїння, в якому передбачається автоматична адаптація режимів роботи доїльного апарата до умов доїння за рахунок оперативного регулювання вакуумметричного тиску залежно від інтенсивності молоковіддачі за допомогою індивідуального регулятора. Встановлено аналітичний зв’язок між основними параметрами регулятора, проведено теоретичний аналіз та моделювання сил, що діють на плоский якір-клапан і уможливлюють регулювання вакуумметричного тиску електромагнітним регулятором, на основі яких обгрунтовано параметри регулятора, які забезпечують його працездатність. Розроблено методику інженерного розрахунку елементів регулятора. Встановлено кореляційну залежність між вакуумметричним тиском на виході регулятора (молокозбірному бідоні), інтенсивністю молоковіддачі та параметрами живлення електромагніту. Перевірено працездатність автоматизованого доїльного апарата, обладнаного індивідуальним електромагнітним регулятором, в лабораторних і виробничих умовах.

Ключові слова: індивідуальний електромагнітний регулятор вакуумметричного тиску, доїльний апарат, параметри регулятора, режими роботи, інтенсивність молоковіддачі.

Кондур С.М. Параметры и режимы работы электромагнитного вакуумного регулятора доильного аппарата. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Львовский государственный аграрный университет, Львов, 2003.

Диссертационное исследование посвящено вопросам повышения эффективности машинного доения путём решения научно-технической задачи адаптации режимов работы доильного аппарата к условиям доения. Усовершенствован способ машинного доения, в котором предусмотрена автоматическая адаптация режимов работы доильного аппарата к условиям доения путём оперативного регулирования вакуумметрического давления в зависимости от интенсивности молокоотдачи с помощью индивидуального регулятора вакуумметрического давления электромагнитного типа с плоским якорем-клапаном (патент Украины UA 49127А), который в наибольшей степени соответствует условиям доения совместно с АСУ ТП производства молока.

Произведённый анализ и моделирование с помощью ЭВМ сил, действующих на плоский якорь-клапан, а также теоретические исследования процесса регулирования вакуумметрического давления электромагнитным регулятором для возможных положений якоря-клапана относительно седла – магнитопровода позволили обосновать параметры регулятора, обеспечивающие его работоспособность. На основании произведённых исследований разработана методика инженерного расчёта элементов регулятора.

Экспериментальные исследования позволили получить корреляционную зависимость между вакуумметрическим давлением в доильном аппарате и силой тока в катушке электромагнита регулятора в зависимости от изменяемых во времени интенсивности молокоотдачи и расхода воздуха, установлена взаимосвязь между потерями вакуумметричного давления в регуляторе, параметрами питания электромагнита и приведённым коэфициентом местных потерь давления.

Внедрение в производство автоматизированного доильного аппарата, оборудованного электромагнитным регулятором вакуумметричного давления, в составе АСУ ТП производства молока позволит повысить молочную производительность коров (увеличение надоев молока) за счет их раздоя и предотвращения заболевания маститами, уменьшить затраты на лечение животных и увеличить срок их продуктивного использования. Производительность труда оператора машинного доения возрастёт за счёт исключения операции машинного додаивания.

Ключевые слова: индивидуальный электромагнитный регулятор вакуумметрического давления, доильный аппарат, параметры регулятора, режимы работы, интенсивность молокоотдачи.

Kondur S.M. Parameters and regimes of electromagnetic and vacuum regulator of milking machine. – Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree in Technical Sciences speciality 05.05.11 – Machinery and means of Mechanization of Farm Production) – Lviv State Agrarian University, Lviv, 2003.

The research focuses on the problems of the increase of milking machine efficiency as the result of solving the scientific and technological task of adaption of milking machine work regime according to milking conditions. The technique of machine milking which predicts the automatic adaptation of milking machine work regimes under