Українська академія аграрних наук

Національний науковий центр

“Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”

(ННЦ “ІМЕСГ”)

РИМАР ДМИТРО ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 637.116

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГЕНЕРАТОРА ІМПУЛЬСІВ ТИСКУ ДОЇЛЬНОГО АПАРАТА ПОПАРНОЇ ДІЇ

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Глеваха – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному науковому центрі „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” (ННЦ „ІМЕСГ”) Української академії аграрних наук

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Фененко Анатолій Іванович, Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, завідувач відділом механізації заготівлі кормів і виробництва молока

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шацький Віктор Васильович, Інститут механізації тваринництва, директор

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ліщинський Степан Павлович, Національний аграрний університет, доцент кафедри механізації тваринництва

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, кафедра механізації і автоматизації в тваринництві, м. Дубляни

Захист відбудеться „25” жовтня 2006 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.358.01 у Національному науковому центрі „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 613

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 205.

Автореферат розісланий „ ” вересня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. Адамчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із факторів, які впливають на якість молока та здоров’я корів є доїльний апарат. При цьому найбільший вплив на параметри роботи доїльного апарата має пульсатор - генератор імпульсів тиску. Визначення раціональних конструктивних та технологічних параметрів генератора імпульсів тиску забезпечує можливість контролювати параметри режимної характеристики доїльного апарата, керувати процесом молоковіддачі, покращити якість молока та зменшити шкідливий машинний вплив на тварину, враховуючи її фізіологічні особливості. Це можливо за умови застосування генератора імпульсів тиску попарної дії, який забезпечує ощадний режим роботи доїльного апарата, при якому долі вимені, що мають різний вміст молока видоюються з різною інтенсивністю.

Існуючі генератори імпульсів тиску попарної дії не забезпечують одночасно дві головні умови: з одного боку, відносної простоти виготовлення та обслуговування, а з іншого – видоювання долей вимені з різним вмістом молока в режимі фізіологічної функції молоковіддачі. Отже, виникає необхідність в розробці нових методів та засобів, які б відповідали даним вимогам, що обумовлює актуальність програми досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з державною програмою виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу та науково – технічною програмою “Технології та комплекси машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва. Відтворення, технологічне і технічне переоснащення галузей тваринництва АПК України”, яка узгоджена Державними департаментами тракторного і сільськогосподарського машинобудування Мінпромполітики України та науково-технічної політики Мінагрополітики України, затверджена Українською академією аграрних наук, і складає частину проекту 04.01 “Розробити основи проектування механізованих технологічних процесів, елементну базу та параметричні ряди нового покоління доїльних установок” (держ. реєстр. № 0101U009301, обліковий № 0206U004468).

Мета та задачі досліджень. Мета роботи – покращення повноти видоювання молока шляхом удосконалення генератора імпульсів тиску доїльного апарата.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз конструкційно-технологічних параметрів і режимів роботи генераторів імпульсів тиску доїльних апаратів.

2. Розробити технологічну схему та дослідний зразок удосконаленого генератора імпульсів тиску попарної дії.

3. Провести теоретичні дослідження і скласти аналітичні залежності, які визначають конструкційні і режимні характеристики генераторів імпульсів тиску одночасної та попарної дії.

4. Провести експериментальні дослідження і побудувати залежності співвідношення тактів та частоти пульсації від величини робочого вакуумметричного тиску та конструкційних параметрів генератора імпульсів тиску.

5. Провести виробничу перевірку удосконаленого доїльного апарата та визначити його ефективність.

Об’єкт досліджень. Об’єктом досліджень є процес доїння корів та генератор імпульсів тиску доїльного апарата попарної дії.

Предмет досліджень. Фізика явищ, що визначає час тривання тактів ссання, стиснення та перехідних процесів, що характеризують режими роботи генератора імпульсів тиску попарної дії.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використано комплексний метод аналізу і синтезу теоретичних і експериментальних досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтуються на основі теорії геометричної подібності, теорії ймовірності, законів механіки рідин та газів, пневматики, методів системного аналізу процесів технології видоювання молока та математичного моделювання.

Експериментальні дослідження проводились на лабораторних стендах лабораторії механізації доїння і первинної обробки молока ННЦ „ІМЕСГ”. При проведенні експериментальних досліджень використано методи планування експериментів, прикладного програмування, методи математичної статистики із застосуванням програмного забезпечення до персональних комп’ютерів та методи статистичного і регресивного аналізів експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Визначений перспективний напрямок технологічного і конструкційного вирішення проблеми створення безпечного доїльного апарата шляхом адаптації режимної характеристики мембранно-клапанного генератора імпульсів тиску відповідно продуктивності передніх і задніх долей вимені.

2. Розроблена аналітична модель процесу роботи генератора імпульсів тиску попарної дії, обґрунтовані геометричні та кінематичні його параметри.

3. Дістали подальшого розвитку аналітичні залежності часу протікання тактів ссання, стиснення та перехідних процесів від зміни параметрів генератора імпульсів тиску.

Практичне значення одержаних результатів полягає у впровадженні удосконаленого доїльного апарата з генератором імпульсів тиску (ГІТ) попарної дії, який забезпечує видоювання долей вимені, що мають різний вміст молока, (передніх і задніх), з різною інтенсивністю. Розроблена конструкція ГІТ попарної дії може бути застосована як елементна база для типорозмірного ряду доїльних апаратів та установок вітчизняного, а також зарубіжного виробництва.

Новизна технічних рішень, використаних при розробці ГІТ захищена патентом України №52180А.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень генератора імпульсів тиску попарної дії використані при розробці технічного завдання ТЗ У 05496135.096-2004 „Апарати доїльні уніфіковані ДАФ-66, ДАФ-70”. Річний економічний ефект від впровадження запропонованого ГІТ попарної дії при доїнні однієї корови складає 544 грн.

Особистий внесок здобувача: розроблено конструкційно-технологічну схему ГІТ попарної дії; проведені теоретичні дослідження процесу роботи ГІТ; обґрунтовано кінематичні та конструкційні параметри ГІТ; удосконалено методику експериментальних досліджень для виявлення основних закономірностей процесу роботи ГІТ в залежності від його параметрів; виготовлено експериментальний зразок ГІТ попарної дії; визначено ефективність впровадження ГІТ попарної дії у виробництво.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і результати роботи обговорені і схвалені: на Міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 2001 р.); науково-технічній конференції “Нові технології і технічні засоби механізації та електрифікації сільськогосподарського виробництва” (Інститут механізації тваринництва, Запоріжжя, 2002 р.,2003 р, 2006р.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, Глеваха, 2000–2005 рр.); IV Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія – 2003” (Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Севастополь – 2003 р.); науково-технічній конференції “Наукові основи сучасних технологій виробництва продукції тваринництва” (Інститут тваринництва, Харків – 2003 р); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій” (Український науково-дослідний інститут по прогнозуванню та випробуванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва ім. Леоніда Погорілого, Дослідницьке – 2005 р.); XII Міжнародному (1 українському) симпозіумі з питань машинного доїння корів (ННЦ „ІМЕСГ”, Брацлав – 2005 р.); Міжнародному науково-технічному семінарі „Екологічні проблеми у тваринництві” (Інститут механізації тваринництва, Запоріжжя – 2006 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 робіт, із них 3 одноосібно, у тому числі 8 у фахових виданнях, одержано деклараційний патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 153 сторінках, з яких 123 сторінки – основна частина, яка включає 9 таблиць, 54 рисунки, та 12 додатків. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел, який налічує 115 найменувань, із яких 9 на іноземних мовах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету і задачі досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення роботи, рівень апробації і публікації одержаних результатів досліджень.

У першому розділі „Стан питання та задачі досліджень” наведено стислий огляд фізіологічних основ виведення молока із вимені корови, зроблений аналіз режимів роботи доїльних апаратів і результатів досліджень за темою дисертаційної роботи, визначено напрямки покращення процесу доїння корів шляхом удосконалення режиму роботи та конструктивних параметрів доїльного апарата з попарним виведенням молока з вимені корови.

Значний внесок у розробку теорії доїльних установок та апаратів, обґрунтування фізіологічних принципів машинного доїння внесли Бабкін В.П., Корольов В.Ф., Краснов І.М., Фененко А.І., Карташов Л.П., Шацький В.В., Ліщинський С.П., Савран В.П., Миропольский О.М., Москаленко С.П., Дріго В.О., Остапенко М.А., Сиротюк В.М., Скроманіс А.А., Келпіс Е.А., Заболотько О.О., Кокоріна Е.П. та інші.

В результаті досліджень найбільш характерних технологічно-конструктивних схем доїльних апаратів встановлено, що одним із шляхів вирішення проблеми покращення режиму доїння і транспортування молока є застосування ГІТ попарної дії з нерегульованою частотою пульсації та різним співвідношенням тактів у парах виконавчих механізмів.

Доїльний апарат з удосконаленим генератором імпульсів тиску повинен забезпечити оптимальну швидкість доїння, повноту молоковиведення та простоту і невибагливість в експлуатації. Такий апарат потребує усунення недоліків, що обумовлені параметрами рівнозначності співвідношення тактів та характеристикою протікання перехідних процесів. При цьому режим доїння суттєво залежить від коливання робочого тиску та просторового розміщення пульсатора, що негативно впливає на процес доїння. Виконані раніше теоретичні та експериментальні дослідження не дають вичерпної відповіді про шляхи усунення цих недоліків, що перешкоджає подальшому підвищенню ефективності доїльних апаратів і установок. Ці питання і складають предмет теоретичних та експериментальних досліджень.

У другому розділі „Теоретичні дослідження і розробка аналітичної моделі генератора імпульсів тиску” уточнено аналітичні залежності режимів роботи ГІТ від величини атмосферного і вакуумметричного тиску, діаметра та довжини дросельного каналу, об’єму керуючої камери, діаметрів нижнього та верхнього клапанів. Встановлено аналітичну залежність частоти пульсації та часу протікання складових пульсації, тактів ссання та стиснення, а також перехідних процесів, які обумовлені силою тиску пружини на клапан керуючої частини ГІТ.

Режим роботи ГІТ характеризують параметри тактів ссання, стиснення та перехідних процесів, протягом яких відбувається переключення клапанів. Змінюючи складові пульсу, можна впливати на швидкість виведення молока. Дослідження проведені на макеті ГІТ, що функціонально відповідає діючому дослідному зразку (рис. 1).

При підключенні ГІТ до джерела постійного вакуумметричного тиску (рис.1) верхній клапан 1 закривається, а нижній 2 відкривається. В цей момент в камері над верхнім клапаном (керуючій) 4 діє атмосферний тиск, а під ним – вакуумметричний. Тобто на клапан 1 діє сила зверху вниз.

- рух повітря

- напрямок дії сили

Рис. 1. Принципова схема роботи ГІТ

1 – верхній клапан; 2 – нижній клапан; 3 – мембрана; 4 – керуюча камера; 5 – камера змінного тиску; Fвк1 – сила, що діє на верхній клапан керуючої частини; Fнк1 - сила, що діє на нижній клапан керуючої частини; Fм – сила, що діє на мембрану; Fвк2 – сила, що діє на верхній клапан керованої частини; Fнк2 – сила, що діє на нижній клапан керованої частини; FПР – сила, яку створює пружина; P1 – найменший тиск в керуючій камері керованої частини ГІТ; P2 – найбільший тиск в керуючій камері керованої частини ГІТ, G – вага клапана керуючої частини.

Запишемо суму всіх сил, що діють в ГІТ під час його роботи. Для положення коли клапан керуючої частини закритий:

Керуюча частина: , (1)

де FM – сила, що діє на мембрану керуючої частини, Н;

FBK1 - сила, що діє на верхній клапан керуючої частини, Н;

FНК1- сила, що діє на нижній клапан керуючої частини, Н;

G – вага клапана керуючої частини, Н.

Керована частина: , (2)

де FПР – сила, яку створює пружина на клапан керованої частини ГІТ, Н;

FВК2 - сила, що діє на верхній клапан керованої частини, Н;

FНК2- сила, що діє на нижній клапан керованої частини, Н.

Для положення коли клапан керуючої частини відкритий:

- керуюча частина: , (3)

- керована частина: , (4)

При підключенні ГІТ до джерела постійного вакуумметричного тиску (див.рис. 1) верхній клапан керуючої частини 1 закривається, а нижній клапан керуючої частини відкривається. В цей момент в камері 4 над верхнім клапаном (керуючій) діє атмосферний тиск, а під ним – вакуумметричний. Тобто на цей клапан діє сила зверху вниз.

Величину цієї сили запишемо так:

, (5)

де Sв.к. – площа верхнього клапана, м2 ;

FВК – сила, що діє на клапан зверху вниз, Н;

РВ – вакуумметричний тиск, при якому працює ГІТ, кПа;

Р1 – мінімальний тиск в керуючій камері, кПа.

Розраховуємо параметри керуючої частини. З керуючої камери 4 повітря поступово перетікає в камеру змінного тиску, а в керуючій камері тиск зменшується. Це викликає різницю тисків, діючих на мембрану знизу вгору, і відповідно силу Fм, яка дорівнює:

, (6)

де Sм – площа мембрани, м2.

РА – атмосферний тиск, Па.

Сила, що діє на нижній клапан керуючої частини дорівнює:

, (7)

Якщо відомі величини всіх сил, що діють в керуючій частині ГІТ, можна визначити найменший тиск в керуючій камері (Р1) з рівняння рівно дії всіх сил:

, (8)

Звідки:

, (9)

Площа мембрани SМ більша від площі верхнього клапана SВК., тому через деякий час настає рівновага сил, що діють в різних напрямках, а потім сила FМ , що діє на мембрану, стає більшою сили FВК1, що діє на верхній клапан, і відбувається переключення клапанів.

Після переключення клапанів верхній клапан буде відкритий, а нижній закритий. В камері змінного тиску встановиться вакууметричний тиск, і сила, що діє на верхній клапан змінить свій напрям. Оскільки площа нижнього клапана менша площі верхнього, то й сила FНК1. що діє на нього буде менша:

, (10)

де SНК – площа нижнього клапана, м2;

FНК1 – сила, що діє на нижній клапан зверху вниз, Н.

Сила, що діє на верхній клапан буде дорівнювати:

, (11)

де Р2 – найбільший тиск, що діє в керуючій камері, Па.

В перший момент після переключення, сила, що діє на мембрану вгору, значно більша за значенням за силу, що діє на нижній клапан вниз. Поступово в керуючу камеру буде надходити повітря, і сила, яка діє на мембрану вгору, буде зменшуватись:

, (12)

Якщо відомі величини всіх сил, що діють в керуючій частині ГІТ при відкритому верхньому клапані, можна визначити найбільший тиск в керуючій камері (Р2) з рівняння рівно дії всіх сил:

. (13)

Найбільший тиск в керуючій камері буде дорівнювати:

. (14)

Зразу ж після настання рівнодії відбувається переключення клапанів у вихідне положення. Так проходить один із циклів роботи ГІТ. Швидкість зміни тиску в керуючій камері ГІТ має нелінійний характер. Як і в будь-якому іншому процесі такого типу, збільшення або зменшення величини зміни тиску має вплив на подальший розвиток процесу.

В нашому випадку швидкість зміни тиску в керуючій камері ГІТ пропорційна різниці тисків. При відкачуванні повітря з керуючої камери ГІТ, швидкість протікання цього процесу зменшується при поступовому зменшенні у ній тиску. Тобто ця швидкість пропорційна різниці тисків, що залишилася.

Коефіцієнт який враховує параметри дросельного каналу і об’єм керуючої камери позначимо через К1, тоді:

, (15)

Для випадку ГІТ доїльного апарата величину визначають тиски Р1 і Р2, які завжди в порівнянні з РВ мають більше значення. Тому, з врахуванням закономірності відкачування повітря з керуючої камери:

, (16)

В межах інтегрування від Р1 (найменший тиск в керуючій камері) до Р2 (найбільший тиск в керуючій камері), час відсмоктування повітря з керуючої камери, що відповідає тактові ссання t1, с:

. (17)

Впуск повітря в керуючу камеру, в якій діє робочий вакуумметричний тиск РВ, відбувається за тим же принципом, що і при відкачуванні повітря з даної камери, тобто швидкість зміни тиску в керуючій камері буде пропорційна різниці тисків :

, (18)

звідки: . (19)

Коефіцієнт К2 визначає ті ж параметри, що і коефіцієнт К1, але в режимі заповнення керуючої камери повітрям. Ці коефіцієнти визначаються шляхом співставлення швидкостей натікання та відкачування повітря з керуючої камери ГІТ.

Інтегруючи цей вираз в межах від Р1 до Р2, отримаємо значення часу натікання повітря, тобто в нашому випадку це тривання такту стиснення:

, (20)

де t2 – такт стиснення, с

Визначивши коефіцієнт пропорційності, одержуємо залежність для знаходження часу протікання такту ссання:

, (21)

і такту стиснення:

, (22)

де V – об’єм керуючої камери, м3.

Співвідношення між тривалостями тактів t1 і t2 залежить від величини тисків Р1 і Р2 і визначається залежністю:

, (23)

де К = К2/К1.

З використанням приведених залежностей розраховано тривалість протікання тактів ссання та стиснення в ГІТ при зміні вакуумметричного та атмосферного тисків (рис. 2).

t1 – тривалість такту ссання; t2 – тривалість такту стиснення.

Рис. 2. Тривалість тактів t1 і t2 в залежності від величини вакуумметричного тиску

Після відповідних перетворень, (23) буде мати вигляд:

. (24)

На основі розрахунків побудовано графічні залежностіі (рис.2 – рис.7) зміни тривалості тактів та частоти пульсації від конструктивних та технологічних параметрів ГІТ.

При рівнозначних величинах діаметрів нижнього і верхнього клапанів, ГІТ перестає працювати, бо при цьому сили FНК і FВК стають рівними за значенням, тобто переключення клапанів неможливе. Залежність тактів ссання та стиснення від діаметра клапанів показана на рис. 3.

Найбільший вплив на тривалість протікання складових пульсу і частоту пульсації мають довжина та діаметр дросельного каналу. Приймаємо довжину дросельного каналу в межах 0,01–0,03 м, що обумовлюється конструкційними особливостями будови мембранно-клапанного механізму.

Рис. 3. Тривалість тактів t1 і t2 в залежності від: а) діаметра нижнього клапана (DН.К.); б) діаметра верхнього клапана (DВ.К.)

Визначаємо вплив діаметра та довжини дросельного каналу на режимну характеристику ГІТ (рис. 4, рис. 5).

Рис. 4. Тривалість тактів ссання (t1) і стиснення (t2) в залежності від: а - довжини дросельного каналу (LД); б - діаметра дросельного каналу (dД)

Видно (рис.4, рис. 5), що при збільшенні довжини дросельного каналу тривалість протікання тактів t1 і t2 збільшується, а частота пульсації відповідно зменшується і навпаки – при збільшенні діаметра дросельного каналу час протікання тактів ссання та стиснення зменшується .

Визначено тривалість протікання тактів t1 і t2 в залежності від об’єму керуючої камери та маси клапанного механізму. Теоретичні розрахунки проводилися в таких межах: об’єм керуючої камери V = 1·10-5 – 7·10-5 м3, маса клапанного механізму – m = 0,01–0,07 кг. Результати досліджень (рис. 6) свідчать, що тривалість тактів ссання (t1) і стиснення (t2 ) в значній мірі залежать від об’єму керуючої камери, що пояснюється часом наповнення повітрям камери, який залежить від січення дросельного каналу. Встановлено, що маса мембранно-клапанного механізму на тривалість тактів впливає в меншій мірі, це обумовлює можливість застосування для проектування конструкцій як із пластикових так і металевих матеріалів.

Рис. 5. Залежність частоти пульсації від діаметра та довжини дросельного каналу

Рис. 6. Тривалість тактів ссання (t1) і стиснення (t2 ) в залежності від: а) об’єму керуючої камери, б) маси мембранно-клапанного клапанного механізму

Керована частина ГІТ попарної дії розглянута як окремий ГІТ одночасної дії. При цьому умовно прийнято канал, що з’єднує камеру змінного тиску керуючої частини та керуючу камеру керованої частини, за дросельний.

Приймаємо, що керуючі камери обох частин ГІТ мають однаковий об’єм. Величини тисків Р1 і Р2 приймаємо рівні РВ і РА відповідно. При цьому зусилля, яке створює пружина, на першому етапі, не враховуємо. Провівши розрахунки, встановлюємо, що такт ссання в керованій частині в порівнянні з тактом ссання в керуючій, збільшився на 0,001 с, а такт стиснення - на 0,0007 с, тобто на час, який необхідний для проходження повітря по з’єднувальному каналу. Виходячи з результатів даних розрахунків приходимо до висновку, що при існуючих параметрах, ГІТ не забезпечує потрібних режимів роботи, тобто такт ссання керуючої частини практично дорівнює по тривалості такту ссання керованої частини, тривалість тактів стиснення також однаковий. Для забезпечення необхідної режимної характеристики роботи керованої частини ГІТ, коли тривалості тактів не рівні, його клапан, в нашому технічному рішенні спирається на пружний елемент, який, взаємодіючи з клапаном, змінює співвідношення тактів у керованій частині.

Позначимо тиск, що спричиняє пружина при взаємодії з клапаном через РП. (рис. ). Приймаємо, що найменший тиск, який діє в керуючій камері керованої частини Р1 = РВ , а найбільший – Р2 = РА. Але до тиску, який діє на клапан додається ще й тиск пружини РП, який має направлення таке ж, як і тиски Р1 і Р2. За цієї умови мінімальний тиск, який діє на клапан, буде дорівнювати Рmin=PВ+PП, а максимальний - Рmax = РА + РП.

Для подальших розрахунків нам потрібно знати бажаний час протікання тактів ссання t1 і стиснення t2 для керованої частини. Як відомо зменшення такту стиснення уповільнює інтенсивність видоювання. В нашому випадку, при тривалості тактів ссання та стиснення відповідно t1 = 0,65 с, і t2 = 0,35 с в одній парі доїльних стаканів, що забезпечується режимом роботи керуючої частини ГІТ, та обумовлено зооветеринарними вимогами до процесу доїння, можемо визначити на скільки такт ссання в керованій частині повинен відрізнятися від такту ссання в керуючій частині:

, (25)

де t с1 – тривалість такту ссання в керованій частині, с;

tс2 – тривалість такту ссання в керуючій частині, с;

mП – кількість молока в передніх долях вим’я, мл;

mЗ – кількість молока в задніх долях вим’я, мл.

Провівши дослідження визначили, що такт ссання в керованій частині ГІТ, тобто в передній парі виконавчих механізмів повинен становити 0,58с, а час стиснення відповідно – 0,42с.

Тиск на клапан (РП), який повинна розвивати пружина, щоб виконувалися задані режими роботи керованої частини можна визначити, якщо використати залежність (21), зробивши деякі перетворення.

Такт ссання:

, (26)

де РП1 – тиск пружини при такті ссання.

Розв’язуємо залежність (26) відносно РП1:

, (27)

Кінцева залежність для знаходження РП1 при такті ссання буде мати вигляд:

. (28)

Вводячи показник тиску пружини у вираз (22) для такту стиснення, одержимо:

. (29)

Застосувавши ту ж саму методику, що і для випадку з t1 отримаємо вираз для знаходження РП2:

. (30)

Для подальших розрахунків приймаємо середнє значення тиску пружини на клапан РПср:

. (31)

Знаючи середню величину тиску, який спричиняє пружина на клапан, знаходимо мінімальний та максимальний тиски, що діють на клапан керованої частини:

, (32)

та: . (33)

Використовуючи залежності (26, 29) можемо розрахувати, як впливає на режим роботи ГІТ, зокрема на тривалість тактів ссання та стиснення, зміна величини тиску, який створює пружина. (рис.7).

Щоб знайти силу FПР, яку повинна розвивати пружина в такті ссання, використаємо рівняння рівнодії всіх сил, що діють в керованій частині (2):

, (40)

Звідки:

, (41)

Рис. 7. Залежність тривалості протікання t1 і t2, в керованій частині, РПср, кПа від тиску, який спричиняє пружина

Провівши теоретичні розрахунки, отримаємо величину сили, що створює пружина FПР в межах 80 – 90 Н.

Числове значення сили FПР нам потрібне для визначення конструктивних та технологічних параметрів пружини.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладено програму досліджень, описано прилади, дослідну установку і методи проведення експериментальних досліджень.

Програмою досліджень передбачалось підтвердження теоретично обґрунтованих основних конструктивних параметрів ГІТ удосконаленого доїльного апарата, оцінка впливу параметрів дросельного каналу на тривалість тактів ссання та стиснення ГІТ, визначення впливу конструктивних параметрів ГІТ на режим роботи виконавчих механізмів – стаканів в залежності від режимної характеристики доїльного апарата.

Для виконання поставлених задач використане експериментальне обладнання і установка, що розроблені з розрахунку фізичної імітації молоковакуумної системи із збиранням молока в індивідуальний молокозбірник і в молокопровід. При цьому враховані найбільш загальні закони теорії подібності, які включають геометричну подібність потоків рідини і повітря.

Основними критеріями, що визначають відповідність режимів роботи доїльного апарата фізіологічним вимогам, були частота пульсації, тривалість тактів ссання та стиснення, тривалість перехідних процесів, співвідношення тактів та надійність роботи.

Змінними факторами, що визначають режимну характеристику роботи ГІТ та надійність роботи доїльного апарата при виконанні процесу доїння прийняті діаметр дросельного каналу (d), довжина дросельного каналу (L), величина робочого вакуумметричного тиску (Рв) і сила, яку розвиває пружина (Fпр).

Величину умовного діаметра дросельного каналу (d) змінювали в межах 0,0003–0,0007 м за допомогою повзунів з різною за величиною лискою, яка утворює між стінкою клапана дросельний канал. Величину робочого вакуумметричного тиску (Рв) встановлювали в межах 46–54 кПа за допомогою регулятора, а визначали – за допомогою зразкового вакуумметра, величину сили пружини на клапан (FПР) змінювали в межах 0–90 кПа шляхом використання пружин з відповідною жорсткістю.

Для проведення експериментальних досліджень використовували ротабельний трирівневий план Бокса-Бенкіна

Перевірка адекватності математичної моделі проводилася з використанням елементів дисперсійного аналізу за допомогою критерію Фішера на рівні довірчої ймовірності 0,95.

Оцінка точності та надійності результатів дослідів проводилась з використанням теорії ймовірності і математичної статистики на рівні довірчої ймовірності 0,95 (рівень значимості 0,05).

У четвертому розділі „Експериментальні дослідження режимів роботи генератора імпульсів тиску попарної дії” наведено основні експериментальні результати. За результатами експериментальних досліджень встановлено залежність часу протікання складових пульсації тактів ссання t1 та стиснення t2 в керуючій та керованій частинах генератора імпульсів тиску в залежності від діаметра та довжини дросельного каналу, величини вакуумметричного тиску, об’єму керуючої камери і сили, що розвиває пружина. Графіки та рівняння регресії наведені на рис. 9 і рис. 10.

Аналізуючи графічні залежності можна стверджувати, що найбільш прийнятна довжина дросельного каналу, при якій забезпечується частота пульсації 60±2 п/хв знаходиться в межах від 0,02 до 0,025 м., а діаметр дросельного каналу, для забезпечення тієї ж частоти пульсації і співвідношення тактів повинен бути 3,6·10-4 - 3,7·10-4 м, величина робочого вакуумметричного тиску повинна знаходитись в межах 48–50 кПа, при постійних діаметрах нижнього клапана 1,4·10-2м та верхнього клапана 3,6·10-2м, об’єм керуючої камери повинен становити 4,7·10-6 м3, сила, яку розвиває пружина в такті ссання і такті стиснення – 80-90 Н.

а) б)

Рис. 8. Експериментальна залежність тактів ссання t1 та стиснення t2 від: а) діаметра; б) довжини дросельного каналу

- керуюча частина ГІТ; - керована частина ГІТ.

Рис. 9 Експериментальна залежність тактів ссання t1 та стиснення t2 від: а) об’єму керуючої камери; б) тиску пружини.

- керуюча частина ГІТ; - керована частина ГІТ.

Основні конструкційні розміри мембранно-клапанних механізмів і камер генератора імпульсів тиску (рис. 10): 1 – керуюча частина; 2 – мембранно-клапанний механізм; 3 – з’єднувальний канал; 4 – спільна камера вакуумметричного тиску; 5 – керована частина; 6, 8 – патрубки змінного вакуумметричного тиску; 7 – пружний елемент; 9 – патрубок постійного вакуумметричного тиску), визначені згідно виразів (23) і (24), що визначають час протікання тактів ссання та стиснення. При цьому витримувалась умова при якій одержані розміри в найменшій мірі впливають на зміну співвідношення тактів.

Технологічно-конструкційні параметри пружини визначалися за умови, що вона створює тиск на клапан керованої частини, при якому відбудеться необхідна зміна співвідношення тактів в одній з пар виконавчих механізмів – стаканів.

Рис. 10. ГІТ попарної дії: а) конструкційна схема; б) загальний вигляд

При цьому повинна забезпечуватись стабільна робота доїльного апарата при довільному просторовому розміщенні генератора імпульсів тиску, а також при його використанні на різних типах доїльних установок.

У п’ятому розділі „Результати виробничих випробувань та техніко-економічна оцінка” наведено експлуатаційні показники та розрахункова економічна ефективність. При виробничих випробуваннях доїльного апарата ДА-70 з генератором імпульсів тиску попарної дії в порівнянні з серійним доїльним апаратом АДУ-1, які були проведені в дослідному господарстві „Оленівське” ННЦ „ІМЕСГ” та дослідному господарстві „Кутузівка” Інституту тваринництва УААН відмічалося зменшення захворювань корів маститом, зменшення ураження дійок, повнота видоювання становила 98,2%, забезпечувалась інтенсивність видоювання у середньому 2,64 кг/хв.

В порівнянні з серійним доїльним апаратом АДУ-1 використання удосконаленого доїльного апарата ДА-70 попарної дії на фермах з виробництва молока при поголів’ї 256 корів забезпечить отримання річного економічного ефекту на одну корову біля 544 грн.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу конструкційно–технологічних параметрів і режимів роботи генераторів імпульсів тиску доїльних апаратів встановлено, що для забезпечення більш повного виведення молока з вимені корови та адаптації режимної характеристики мембранно-клапанного генератора імпульсів тиску відповідно продуктивності передніх і задніх долей вимені перспективним напрямком є розробка і використання генераторів імпульсів тиску попарної дії з різним співвідношенням тактів в парах доїльних стаканів.

2. Уточнені аналітичні залежності, що характеризують і визначають режими роботи і конструктивні параметри ГІТ одночасної дії, при яких забезпечується співвідношення тактів ссання до стиснення 65:35, та частоти пульсації 1,0 – 1,1 Гц.

3. Визначені аналітичні залежності частоти пульсації та співвідношення тактів ссання до стиснення в генераторі імпульсів тиску попарної дії від об’єму керуючої камери (4,5·10-6 м3), діаметру дросельного каналу (0,40·10-4 м), довжини дросельного каналу (0,18·10-2 – 0,22·10-2 м), діаметра нижнього клапана (1,4·10-2 м), діаметра верхнього клапана (3,6·10-2 м), осьового переміщення мембранно-клапанного механізму керуючої частини ГІТ (0,8·10-3 – 1,2·10-3 м), робочого вакуумметричного тиску (48 – 52 кПа), сили, яку розвиває пружина (88 Н).

4. Визначені режими роботи удосконаленого доїльного апарата, що відповідають фізіологічним вимогам: частота пульсації – 1,1 Гц, робочий вакуумметричний тиск – 48-50 кПа, співвідношення тактів ссання до стиснення в керуючій частині 65:35, в керованій – 60:40. Розроблено конструкційно-технологічну схему та макет дослідного зразка удосконаленого генератора імпульсів тиску попарної дії.

5. Встановлено, що удосконалений дослідний зразок двотактного доїльного апарата ДА-70 в порівнянні із серійним АДУ-1 має покращені показники молоковиведення, забезпечує збільшення середньодобового надою на 12,1%, покращення повноти видоювання на 0,6%, збільшення жирності молока на 0,4%, зменшення субклінічної форми маститу на 23,3%, а клінічної – на 5%.

6. Впровадження удосконаленого доїльного апарата ДА-70 на фермі з поголів’ям 256 дійних корів при доїнні на установці типу “Ялинка” забезпечує річний економічний ефект на одну корову 544 грн, на один доїльний апарат – 6998 грн, на все поголів’я – 139955 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Римар Д.О. Обґрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи генератора імпульсів тиску доїльного апарата // Механізація та електрифікація сільського господарства: міжвідомчий тематичний науковий збірник. – Глеваха: ННЦ “ІМЕСГ”. – 2003. – Вип.87. – С. 219–224.

2. Римар Д.О. Одночасний та попарний режими роботи доїльних апаратів // Науково-технічний бюлетень: збірник наукових праць. – Харків: Інститут тваринництва УААН. – 2003. – № 85. – С. 92–95.

3. Римар Д.О. Покращення процесу доїння за рахунок удосконалення конструктивної схеми доїльного апарата // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: збірник наукових праць. – Дослідницьке: Український науково-дослідний інститут по прогнозуванню та випробуванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва ім. Леоніда Погорілого. – 2005. – Вип. 8 (22). – Книга 2. – С. 27–32.

4. Фененко А.І., Римар Д.О., Дідорук О.М. Технологічні і конструктивні рішення однотрубної і двотрубної молокоповітряної системи доїльних установок // Вісник Львівського державного аграрного університету / Серія: агроінженерні дослідження: збірник наукових праць. – Дубляни: ЛДАУ. – 2001. – № 5. – С. 67–74. (Автором визначено основні параметри доїльного апарата ДАФ-70).

5. Фененко А.І., Римар Д.О. Порівняльна характеристика та режими роботи генераторів імпульсів тиску доїльних апаратів // Механізація та електрифікація сільського господарства: міжвідомчий тематичний науковий збірник. – Глеваха: ННЦ “ІМЕСГ”. – 2001. – Вип.85. – С. 167–171. (Автором визначено режими роботи генераторів імпульсів тиску доїльних апаратів).

6. Фененко А.І., Остапенко М.А., Римар Д.О. Перспективи технічного і технологічного відтворення індустріальних ферм по виробництву молока // Механізація та електрифікація сільського господарства: міжвідомчий тематичний науковий збірник. – Глеваха: ННЦ “ІМЕСГ”. – 2004. – Вип.88. – С. 36–44. (Автор брав участь у розробленні планувальних рішень приміщень корівників).

7. Фененко А.І., Римар Д.О. Теоретичні дослідження генератора імпульсів тиску доїльного апарата попарної дії // Матеріали XII Міжнародного (1 українського) симпозіуму з питань машинного доїння корів. – Глеваха: ННЦ „ІМЕСГ”. – 2005. – С. – 133. (Автором виконані аналітичні розрахунки параметрів та режимів роботи генератора імпульсів тиску).

8. Фененко А.І., Римар Д.О., Савран В.П., Бондарєв О.В., Хільчевський Г.П., Бурилко А.В. Режимні характеристики уніфікованих доїльних апаратів для доїльної техніки нового покоління // Матеріали XII Міжнародного (1 українського) симпозіуму з питань машинного доїння корів. – Глеваха: ННЦ „ІМЕСГ”. – 2005. – С. –36. (Автор виконав дослідження режимних характеристик уніфікованих доїльних апаратів).

9. Фененко А.І., Москаленко С.П., Верніков Д.І., .Римар Д.О. Ефективність виробництва молока на реконструйованих фермах // Механізація та електрифікація сільського господарства: міжвідомчий тематичний науковий збірник. – Глеваха: ННЦ “ІМЕСГ”. – 2005. – Вип.89. – С. 354–360. (Автор виконав аналіз існуючих засобів доїння, брав участь у розробці комплексу машин і обладнання для ферми з виробництва молока).

10. Патент України 52180А. Пульсатор доїльного апарата / Д.О. Римар, А.І. Фененко, Г.П. Хільчевський // 2002. – Бюл. 12. – 6 с. (Автору належить ідея та схема пульсатора).

Римар Д.О. Обґрунтування параметрів генератора імпульсів тиску попарної дії удосконаленого доїльного апарата. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва”.- Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, Глеваха, 2006.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесу доїння корів шляхом удосконалення генератора імпульсів тиску для доїльного апарата попарної дії, в якому різномолочні долі вимені видоюються з різною інтенсивністю при однаковій частоті пульсації та різним часом протікання перехідних процесів від такту ссання до такту стиснення і навпаки. Теоретичними і експериментальними дослідженнями обґрунтовано основні параметри генератора імпульсів тиску. Використовуючи теоретичні та експериментальні дослідження виготовлено дослідний зразок доїльного апарата з генератором імпульсів тиску попарної дії. Проведено виробничі випробування, які дали позитивні результати.

Ключові слова: доїльний апарат, режим, доїльний стакан, генератор імпульсів тиску, перехідні процеси, режим роботи, параметри.

Рымарь Д.А. Обоснование параметров генератора импульсов давления попарного действия усовершенствованного доильного аппарата. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства”.- Национальный научный центр „Институт механизации и электрификации сельского хозяйства”, Глеваха, 2006.

Диссертация посвящена повышению эффективности процесса доения коров путем усовершенствования генератора импульсов давления для доильного аппарата попарного действия, в котором разномолочные части вымени выдаиваются с разной интенсивностью при одинаковой частоте пульсации и разным временем протекания переходных процессов от такта сосания к такту сжатия и наоборот.

В результате исследований наиболее характерных технологическо-конструктивных схем доильных аппаратов определено, что одним из путей решения проблемы улучшения режима доения и транспортировки молока является применение генератора импульсов давления попарного действия с нерегулируемой частотой пульсации и разным соотношением тактов в парах исполнительных механизмов. Теоретическим анализом обоснованы зависимости режимов работы ГИД от величины атмосферного и вакуумметрического давления, диаметра и длины дроссельного канала, объема управляющей камеры, диаметров нижнего и верхнего клапанов. Определена аналитическая зависимость частоты пульсации и времени протекания составляющих пульсации, тактов ссания и сжатия, а также переходных процессов от силы давления пружины на клапан управляющей части ГИД. Анализируя построенные графические зависимости можно утверждать, что наиболее приемлемая длина дроссельного канала, при которой обеспечивается частота пульсации 1-1,1 Гц находится в границах от 0,02 м до 0,025 м, а диаметр дроссельного канала, для обеспечения той же частоты пульсации и соотношения тактов должен быть 3,6·10-4 - 3,7·10-4 м, величина рабочего вакуумметрического давления должна находиться в пределах 48 – 50 кПа, при постоянных диаметрах нижнего клапана 1,4·10-2 м и верхнего клапана 3,6·10-2 м объем управляющей камеры должен составлять 4,7·10-6 м3, сила, которую развивает