Українська академія аграрних наук

Національний науковий центР

“Інститут механізації та електрифікації

сільського господарства”

михайленко петро миколайович

удк 637.11

обґрунтування параметрів вимірювача

кількості молока пропорційного типу

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Глеваха - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Лінник Микола Кіндратович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент УААН Кушнарьов Артур Сергійович, Український НДІ з випробування і прогнозування техніки і технологій для сільського господарства ім. Л.Погорілого, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент Заболотько Олег Олександрович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри механізації тваринництва.

Захист відбудеться 28.05.2008 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.358.01 в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кім. 613.

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

Автореферат розіслано 22.04.2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Москаленко С.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із найважливіших параметрів, що характеризує технологічний процес виробництва молока, є індивідуальна продуктивність тварин, і на її основі визначена кількість виробленої продукції в цілому. Достовірна та оперативна інформація про продуктивність кожної окремої тварини забезпечує можливість реалізації системи індивідуальної нормованої годівлі, що дозволяє оптимізувати раціон, управляти якістю вироблюваної продукції, знизити її собівартість та забезпечити економію кормів і є важливим народногосподарським завданням.

Сучасні засоби індивідуального обліку молока за низкою параметрів не відповідають вимогам індустріальних технологій виробництва молока, зокрема точності вимірювання в реальних умов виробництва. Є необхідність проведення наукових досліджень з метою розробки нових і удосконалення існуючих методів і засобів вимірювання, які повнішою мірою відповідали б сучасним технологіям виробництва й забезпечення якості молока, що зумовлює актуальність дисертаційного дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-технічної програми "Технології та комплекси машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва", зокрема п. 1.1.6 "Розробка ресурсоощадних технологічних процесів та систем типорозмірних рядів машин і обладнання для ферм з виробництва молока в реформованих господарствах" і є складовою частиною науково-дослідної тематики Національного наукового центру "Інституту механізації та електрифікації сільського господарства" Української академії аграрних наук (ННЦ "ІМЕСГ") та лабораторії проектування і випробування техніки для доїння та первинної обробки молока (держ. реєстр. №0101U009301).

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розробка й дослідження вдосконаленого вимірювача кількості молока для забезпечення підвищення достовірності технологічної інформації та на її основі покращання ефективності оптимального управління технологічним процесом виробництва молока й функціонування біотехнічної системи “людина-машина-тварина”.

Для досягнення цієї мети в роботі було поставлено такі завдання:

-

-

- обґрунтувати та розробити технологічну схему пристрою для контрольного доїння корів з урахуванням недоліків, виявлених під час використання серійних пристроїв;

- виготовити лабораторні установки, розробити методику та провести лабораторні дослідження пристрою;

-

-

-

Об’єкт дослідження – технологічний процес і механічні засоби для індивідуального вимірювання кількості молока в процесі доїння корів.

Предмет дослідження – фізика явищ, що визначають точність індивідуального вимірювання молока від кожної корови вимірювачами різних конструкцій у процесі доїння; залежність технологічної ефективності (точності) вимірювання від конструктивного виконання вимірювачів та їх адаптації до виробничих умов експлуатації.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження здійснювались на основі прикладної гідродинаміки із застосуванням інформаційних технологій. В основу методології експериментальних досліджень покладено методи планування інженерного експерименту, зокрема відсівного експерименту на основі методу випадкового балансу та багатофакторного експерименту, електричні методи вимірювання неелектричних величин, методики, розроблені в процесі виконання роботи, тензометричні методи вимірювань, методи математичної статистики із застосуванням під час вимірюваннь і обробки даних на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Найважливіші результати дослідження, що характеризують наукову новизну і виносяться на захист, полягають у наступному:

-

-

-

Новизну технічних рішень, отриманих під час розробки та дослідження вимірювача кількості молока пропорційного типу, підтверджено деклараційним патентом України на корисну модель № 6598.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні та експериментальні результати досліджень і результати експлуатаційних випробувань знайшли практичне застосування в розробці удосконаленого індивідуального вимірювача кількості молока під час доїння корів, серійне виробництво якого освоєно ВАТ “Брацлав”.

За рахунок зменшення витрат кормів і підвищення надоїв молока розрахункова економічна ефективність від впровадження одного вимірювача становить 1044,1 грн., для тваринницької ферми на 200 корів (12 вимірювачів) – 12529,2 грн., економічна ефективність від впровадження річної програми їх виробництва (2000 шт.) на ВАТ “Брацлав” – 111,2 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані дисертантом особисто. Автором запропоновано вдосконалену схему індивідуального вимірювача кількості молока в процесі доїння, зокрема:

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи заслуховувались і обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2000 р.), на Х Міжнародному симпозіумі з машинного доїння сільськогосподарських тварин, первинної обробки та переробки молока (м. Переяслав-Залесский, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Землеробська механіка на рубежі сторіч" (м. Мелітополь, 2001 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2001 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття” (Львівський ДАУ, м. Дубляни, 2001 р.), Х Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2002 р.), Науково-практичній конференції “Сучасні технології і технічне забезпечення виробництва молока” (ІМТ УААН, м. Запоріжжя, 2003 р.), ХІ Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільсько-господарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2003 р.), ХІІ Міжнародному симпозіумі з питань машинного доїння корів (ВАТ “Брацлав”, смт. Брацлав, 2004 р.).

Публікації. За основними результатами досліджень опубліковано 8 статей у фахових виданнях, затверджених “Переліком ВАК...” з технічних наук (з них три статті опубліковані одноосібно), 9 тез у матеріалах конференцій і симпозіумів, одержано патент України №54623 від 17.03.2003 р. та деклараційний патент на корисну модель №6598 від 16.02.2005 р.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і пропозицій, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи – 201 сторінка. На 140 сторінках викладено текст роботи, робота містить 13 таблиць, 39 рисунків, 17 додатків на 53 сторінках. На 8 сторінках викладено список використаних джерел із 71 найменування (з них 7 – іноземною мовою).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі досліджень, окреслено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів наукових досліджень.

У першому розділі “Аналіз методів і способів обліку молока у процесі доїння” доведено важливість індивідуального обліку кількості молока в процесі машинного доїння та вплив цього параметра на підвищення продуктивності тварин. Виконано аналіз існуючих технічних засобів для обліку молока в процесі доїння, проведено критичний аналіз наукових робіт, присвячених цій проблемі. Запропоновано нову класифікацію вимірювачів кількості молока та проаналізовано залежність відносної похибки вимірювання від інтенсивності потоку молока, кута нахилу вимірювачів, зміни вакуумметричного тиску для вимірювача ІУ-1 ВАТ “Брацлав” і “True-Test”.

Теоретичні та практичні основи для вивчення процесу обліку кількості молока, вимірювання інтенсивності молоковіддачі, його різних аспектів і закономірностей викладено в працях Астахова А.С., Корольова В.А., Цоя Ю.О., Зеленцова А.І., Локшина В.З., Москвіна Г.А., Марьяхіна Ф.Г., Поспелова В.Г., Кірсанова В.В., Максутова А.А., Фененка А.І., Дріго В.О. та інших учених.

Значний внесок у розвиток методів та технічних засобів обліку молока зробили науково-дослідні, проектно-технологічні та конструкторські установи України, зокрема Національний науковий центр Інститут механізації та електрифікації сільського господарства УААН (ННЦ "ІМЕСГ"), Український державний центр по випробуванню і прогнозуванню техніки і технологій сільськогосподарського виробництва (УкрНДІПВТ) і відкрите акціонерне товариство "Брацлав" (ВАТ "Брацлав") та ін.

Після вивчення стану питання, критичного аналізу праць учених і тенденцій розвитку вимірювачів кількості молока зроблено висновок, що похибка вимірювання залежить від інтенсивності молоковіддачі, вакуум-метрич--ного тиску та нахилу вісі вимірювача і виходить за межі 5%. Ретроспек-тивний аналіз методів і технічних засобів вимірювання молока виявив тенденцію їх вдосконалення через підвищення рівня достовірності вимірів з одночасним розширенням діапазонів використання, надійності, зменшення габаритних розмірів, маси та вартості.

У зв’язку з цим було висунуто гіпотезу: підвищити точність вимірювання кількості молока пропорційним типом можна через удосконалення конструкційних параметрів і геометрії поверхонь елементів вимірювача.

Оскільки процес руху багатофазного середовища (молоко+повітря) залежно від геометрії поверхонь вимірювача, вплив параметрів середовища і конструкції ще недостатньо вивчений, виникла необхідність його дослідження.

Визначено мету та сформульовано основні завдання наукових досліджень.

У другому розділі “Теоретичні дослідження процесу протікання молока в індивідуальних вимірювачах і обґрунтування їх параметрів” на основі існуючих гідродинамічних теорій руху рідин для розрахункової схеми вимірювача розроблена математична модель розподілу молока в ньому.

Особливість конструкції вимірювача висвітлюється розрахунковою схемою вузла розподілу струменя молока та відсікання фіксованої його частки для виконання заміру кількості молока, що проходить через пристрій (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункова схема розподілу струменя молока у вимірювачі ІУ-1:

1 – корпус; 2 – кришка; 3 – сопло наконечника; 4 – щілина приймальна.

Основними елементами вимірювача є корпус 1, до якого приєднується кришка 2 зі спрофільованою нижньою поверхнею, яка спрямовує потік молока до молокопроводу та приймальної щілини 4 мірної місткості (на схемі не показана). Витікання молока у простір під кришкою відбувається через отвір (сопло) наконечника 3 під дією вакуумметричного тиску. Струмінь молока витікає в газовий простір. Струмінь молока після контакту з поверхнею обмежуючої кришки рівномірно розтікатиметься по її профілю у всіх напрямках, надходячи у приймальну щілину 4 та до порожнини, з’єднаної з молокопроводом. Товщина потоку значно менша за відстань між торцем наконечника та прямою поверхнею кришки. Таким чином, має місце вільний струмінь рідини суцільної форми, який витікає з отвору сопла (переріз О-О), що забезпечується конструкцією отвору в насадку (конфузорі) та незначною відстанню між торцем насадки й напрямною поверхнею кришки (10 мм).

Виходячи з рівняння Бернуллі, розроблена уточнена математична модель співвідношення руху нестискуючої рідини:

, (1)

де р1, р2 – гідростатичний тиск у даних перерізах 1-1 та 2-1 відповідно, Па; V1, V2 – швидкість руху рідини у відповідних перерізах потоку, м/с; h0 – усереднені втрати механічної енергії потоку між перетинами а-а і б-б; с – густина рідини, кг/м3; g – прискорення вільного падіння, м/с2; б1, б2 – відповідно коефіцієнти Коріоліуса в перерізах 1-1 і 2-2; h0 – усереднені втрати механічної енергії потоку між перетинами 1-1 і 2-2.

Позначивши вісі координат Х і Y, отримаємо рівняння розподілу сили Р, що діє на кришку по осях:

, (2)

, (3)

де Q0,Q1 та Q2 – витрати рідини відповідно в перерізах (0-0, 1-1, 2-2), м3/с; V0, V1 та V2, - швидкість руху рідини у даних перерізах, м/с; 1, 2 – відповідно кути сходу струменя з перешкоди (визначені у перерізах 1-1 та 2-2), які збігаються з граничною поверхнею кришки.

Для визначення відхилення вектора швидкості V0, що спричинюватиме похибку вимірювання, розроблена схема складових елементарних струменів молока за умови нахилу корпуса вимірювача (рис. 2).

Рис. 2. Розрахункова схема визначення розподілу витрат молока по профілю кришки.

Розподіл витрат молока з урахуванням викривлення струменя через нахил вимірювача визначається за формулами:

, , (4)

де в – кут між напрямком швидкості в точці В контакту струменя і напрямною поверхні кришки (рис. 2),

(5)

де – кут між дотичною до напрямної поверхні кришки в т. В та горизонталлю; – кут між напрямком вектора швидкості V0B в т. В та горизонталлю.

Похибка вимірювання кількості молока розраховується за формулою

. (6)

Кути г і ш можна розрахувати за формулами

, , , (7)

де – складові швидкості руху елементарного об’єму потоку в напрямку відповідних осей координат, м/с;

– координати пройденого шляху струменем молока в момент часу t.

Відповідно до розглянутих умов за допомогою розроблених програм було виконано математичні моделювання похибки вимірювання вимірювача ІУ-1 за умови визначення швидкості одномірного потоку молока за формулою

, (8)

де – витрата молока через отвір із площею поперечного перерізу fс; м – коефіцієнт витрати, м = 0,65-0,67; Дрс – перепад вакуумметричного тиску, Па.

Результати моделювання у графічній формі подано на рис. 3 – 5.

Рис. 3. Залежність () похибки вимі- Рис. 4. Залежність () похибки вимірю-

рювання кількості молока від кута вання кількості молока при наступних

нахилу корпуса пристрою при: значеннях відстані h від торця наконеч-

1 –V0=5 м/с; 2 –V0=1 м/с; 3 –V0=0,5 м/с. ника до напрямної поверхні кришки:

1–h=0,006 м; 2–h=0,009 м; 3–h=0,012 м.

Рис. 5. Залежність похибки вимірювання від величини радіуса R

напрямної поверхні кришки при: а) – V0=0,5 м/с; б) – V0=3 м/с.

Проведені дослідження підтвердили необхідність удосконалення кон-струк-ції вимірювача внаслідок модернізації кришки. Пропонується спрофілювати напрямну поверхню кришки 2, вставлену в корпусі 1 таким чином, щоб потік молока, який витікає зі швидкістю V0 з отвору наконечника 3, протікав нерозривно та безвідривно від поверхні кришки на всій відстані від отвору до приймальної щілини 4 (рис. 6). При цьому швидкість потоку залишалася незмінною, тобто V0 = V1. Оскільки потік молока витікає у вільний газовий простір, гідравлічний тиск відсутній. Сили, що діють на потік молока під час його протікання, пов’язані тільки із зазначеними вище гідромеханічними ефектами.

Схему дії сил на елементарну частинку молока у вимірювачі з криво-ліній-ною напрямною поверхнею кришки наведено на рис. 7.

Рис. 6. Розрахункова схема до визна- Рис. 7. Схема дії сил на елементарну

чення напрямної поверхні кришки частинку молока у вимірювачі молока

удосконаленого вимірювача молока. із криволінійною напрямною поверх-

нею кришки.

Баланс сил, які діють на потік молока під час його протікання по напрямній поверхні кришки, можна представити у наступному вигляді:

Рвц=Рв+Рпн, (9)

де Рвц – відцентрова сила, що діє на елементарну частинку молока, Н:

,

Рв – сила ваги елементарної частинки, Н:

,

Рпн – сила поверхневого натягу рідини, Н:

,

де авц – відцентрове прискорення, м/с2; R – радіус кривизни напрямної поверхні, м; V – лінійна швидкість частинки рідини, м/с; у – коефіцієнт поверхневого натягу, Н·м; rс – радіус поверхні струменя, спричинений поверхневим натягом, м; dx, dy, dz – сторони паралелепіпеда елементарної частинки, м.

Рівняння балансу сил, що діють на елементарний потік молока, набуде вигляду

. (10)

Прийнявши поперечний переріз потоку у формі кільця з внутрішнім діаметром l, зовнішній – l+2rc, площу перерізу розрахо-ву-ють за формулою:

. (11)

Прийнявши, що площа поперечного перерізу в кожному з можливих перетинів є постійною Fn=F, радіус струменя молока під час розриву суцільного потоку під дією сил поверхневого натягу розраховується за формулою

. (12)

Для моделювання геометрії профілю напрямної поверхні кришки розроблена розрахункова схема поверхні (рис. 8).

Довжина хорди bi на кожному і-му кроці розрахунку визначається за формулою

. (13)

Кут нахилу кожного наступного радіуса, проведеного з наступної точки, що обмежує чергову ділянку, збільшується на величину яка розраховується за формулою

. (14)

Кут нахилу наступного радіуса визначиться відповідно співвідношенням:

. (15)

У системі алгоритмічної мови MAPLE проведено моделювання геометричних параметрів клиноподібного профілю напрямної поверхні кришки, результати якого у графічній формі за конструктивного радіусу кришки Rкр=0,035 м, коефіцієнта поверхневого натягу молока = 0,04 Н/м, діаметра отвору в насадку dс=0,01 м, який визначає площу отвору F (відповідає серійній конструкції), наведено на рис. 9 – 11.

Рис. 9. Залежність величини радіуса кривизни напрямної поверхні кришки від відстані до осі профілю при: а) - V=1,2 м/с; б) - V=2,1 м/с.

Рис. 10. Залежність максимальної Рис. 11. Залежність максимальної

віддалі криволінійного профілю віддалі приймального вікна відбірника кришки від швидкості потоку молока від кута нахилу початкової ділянки

при кутах нахилу л початкової профілю напрямної поверхні кришки

ділянки профілю. за різних швидкостей потоку молока.

Проведені дослідження дозволили теоретично обґрунтувати геометричні й конструктивні параметри вимірювача молока, при яких виконується умова суцільності та нерозривності потоку молока і забезпечується похибка вимірювання не більше 3%:

-

-

-

-

0,02 м;

відстань від осі отвору до приймальної щілини повинен становити 0,035 м.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму експериментальних досліджень, лабораторну установку для досліджень, методики проведення та обробки результатів експери-ментальних досліджень і результати порівняльної оцінки з існуючими анало-гами в лабораторних та виробничих умовах.

Програмою досліджень передбачено: розробити конструктивно-функціо-нальну схему та виготовити лабораторну установку для експеримен-таль-них досліджень у лабораторних умовах; перевірити адекват-ність теоре-тичних по-ложень; встановити кореляційний взаємозв’язок між метро-логічними парамет-рами вимірювача і чинниками, що впливають на точність вимірювання (інтен-сивності молоко-від-дачі, кутів нахилу вимірювача у площині знаходження щі-лини забірника та перпен-дикулярній площині, напрямної поверхні потоку мо-лока, вакуумметричного тиску в системі, спінюваності молока, витрат повітря через колектор доїльного апарата); порівняльна оцінка розробленого вимірю-вача з існуючими аналогами; перевірка роботи і визначення метрологічних ха-рактеристик вимірювача у виробничих умовах.

Для проведення експериментальних досліджень розроблено лабораторну установку, основу якої складає стенд для проведення лабораторних досліджень дої-льної апаратури лабораторії проектування і впровадження техніки для доїння та первинної обробки молока ННЦ "ІМЕСГ" УААН (рис. 12). До складу стенду входять: вакуумна установка, вакуумний регулятор, мірна міст-кість, штучне вим’я, доїльний апарат, персональний комп’ютер "Pentium 3", об-ладнаний аналого-цифровим перетворювачем, лабораторна вага, принтер "Canon BIC-2000", секундомір і контрольно-вимірювальна апаратура (прилади "Унітест" і "Pulsotest – 2", спеціальні давачі вакуумметричного тиску). Основу реєстраційного комплексу та засобів обробки і зберігання експериментальної інформації становить персональний комп’ютер, обладнаний аналого-цифровим перетворювачем (L-154). Синхронізація роботи системи здійснювалась як опе-ратором, так і автоматично за допомогою ЕОМ. Реєстраційний комплекс із рези-дентним програмним забезпеченням дозволяє: відображати реалізації експери-ментальних процесів на екрані монітора; формувати файли даних і зберігати їх на електронних носіях інформації; здійснювати спектральний, дисперсійний і кореляційний аналізи; формувати сигнали керування процесом вимірювань; здійснювати настроювання системи відповідно умов вимірювань; фор-мувати часові інтервали; виводити інформацію на тверді носії.

Рис. 12. Загальний вигляд стенда для лабораторних досліджень.

Перевірку відповідності експериментального і теоретичного розподілів здійснювали відповідно до ГОСТ 11.006-74. Усю сукупність експериментальних значень параметра розбивали на r інтервалів. Кількість інтервалів для n дослідів (від 100 до 200) вибирали в межах 15-18. Чинники, що впливають на процес ви-мірювання кількості молока та їх рівні, наведено в табл. 1.

З метою виключення малозначущих чинників із плану проведення експе-риментальних досліджень, зменшення їх кількості та забезпечення максималь-ної інформативності на підставі попередніх досліджень провели відсів незна-чущих чинників, використавши метод відсівного експерименту.

Таблиця 1

Фактори, що впливають на процес вимірювання кількості молока

Назва фактора та його розмірність | Рівні факторів

-1 | 0 | +1

1 | 2 | 3 | 4

х1 – інтенсивність молоковіддачі, кг/хв ; | 0,2 | 4,1 | 8,0

х2 – кут нахилу вимірювача у площині зна-ходження щілини забірника, град; | -15 | 0 | +15

х3 – спосіб формування потоку молока; | конусопо-дібна пове-рхня | конусопо-дібна по-верхня | сферична поверхня

х4 – величина вакуумметричного тиску в системі, кПа; | 40 | 50 | 60

х5 – величина спінюваності молока; | незначна | значна | значна

х6 – кут нахилу вимірювача у площині, пе-рпендикулярній до площини знаходження щілини забірника, град.; | -15 | 0 | +15

х7 – температура молока, град. С; | 20 | 25 | 30

х8 – витрата повітря через колектор доїль-ного апарата, м3/с; | 2·10-4 | 3,5·10-4 | 5·10-4

Формуючи матрицю відсівного експерименту, використали першу піврепліку 24-1 повнофакторного експерименту типу 28 з визначаючим контра-стом:

І1=х1 х2 х3 х4. (16)

У цій піврепліці ефекти факторів і ефекти парних взаємодій факторів не змішані, піврепліка для кодованих значень рівнів факторів запишеться у ви-гляді (1), аb, ac, ad, bc, bd, cd, abcd.

Для другої половини факторів визначаючий контраст буде

І2=х5 х6 х7 х8, (17)

а піврепліку можна записати як: d, a, b, abd, c, acd, bcd, abc.

Для встановлення взаємозв’язку між факторами, що впливають на точ-ність вимірювання, базуючись на результатах відсівного експерименту значущими факторами при планованому експерименті є інтенсивність молоко-віддачі – х1, кут нахилу вимірювача у площині розташування щілини забірника – х2, ве-личина вакуумметричного тиску у вакуумній системі доїльної установки – х4 і витрата повітря, що надходить у колектор доїльного апарата, –х8.

Кількість рівнів факторів к, з метою скорочення чисельності дослідів, встановили к=2 і передбачили проведення одного досліду на середньому зна-ченні всіх факторів для з’ясування відсутності значної нелінійності впливу фа-кторів на середньому рівні.

Порівняльні лабораторні й виробничі дослідження вимірювача з існую-чими аналогами проводили під впливом факторів: кута відхилення від вертика-льної вісі вимірювача, вакуумметричного тиску в системі; способу формування потоку молока; характеру проходження рідини через вимірювач.

У порівняльних дослідженнях використали: серійний вимірювач ІУ-1; удосконалені вимірювачі молока ПОМ-2, ПОМ-3; серійний вимірювач “Tru-Test” (Н.Зеландія).

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” подано результати лабораторних досліджень похибки вимірювання.

Результати експериментальних досліджень було оброблено за допомо-гою ПЕОМ і перевірено однорідність дисперсій, статистичну значущість коефі-цієнтів варіації та адекватність отриманої математичної моделі. В результаті розрахунків отримано рівняння регресії для відносної похибки вимірювання у кодованих значеннях факторів:

Аналіз рівняння регресії (21) показує, що нахил серійного вимірювача ІУ-1 на один градус призводить до збільшення відносної похибки вимірювання на 1,59%. За умови, що відносна похибка не повинна перевищувати 5%, кут від-хилення вимірювача від вертикалі не повинен перевищувати 3,1 град.

Однак у вимірювача, параметри якого обґрунтовані під час теоретичних до-сліджень (ПОМ-2), нахил на 1 градус призводить до збільшення відносної похибки тільки на 0,5%, що дозволяє в межах вірогідних відхилень від верти-калі ±5 град, забезпечувати похибку вимірювання не більше 3% (рис.13).

Залежність похибки вимірювання від кута нахилу корпуса та вакууммет-ричного тиску наведено на рис. 13 і 14.

Рис. 13. Залежність похибки вимірю- Рис. 14. Залежність похибки вимі-

вання е від кута нахилу б корпуса при рювання е від вакуумметричного

Р=50±1 кПа, V=1,5 м/с: 1 – ІУ-1; тиску Р при б= 0, V=1,5 м/с: 1 – ІУ-1;

2 – ПОМ-2; 3 – ПОМ-3; 4 – Tru-Test. 2 – ПОМ-2; 3 – ПОМ- 3; 4 – Tru-Test.

Похибка вимірювання у разі зміни інтенсивності потоку в межах від 1 до 8 кг/хв не перевищує 1,2%.

У п’ятому розділі “Виробничі порівняльні випробування вимірювачів і економічна ефективність” наведено порівняльні випробування вимірювачів молока у виробничих умовах, а також наведено розрахунок показників економічної ефективності впровадження вимірювача.

Порівняльні випробування вимірювачів проводились у дослідному господарстві “Золота Нива” Немирівського району Вінницької області з використанням доїльної установки УДМ-200 виробництва ВАТ “Брацлав”. Для випробувань була відібрана група дійних корів (16 голів) із середнім разовим надоєм від однієї корови 3,5 кг. Похибка вимірювання не перевищувала 5%.

Річна економічна ефективність від впровадження одного вимірювача молока на тваринницькій фермі з використанням базової доїльної установки УДМ-100 та середньорічним надоєм на одну корову 4000 кг становитиме 1044,1 грн. Для тваринницької ферми на 200 корів з використанням 12 вимірювачів рівний економічний ефект становитиме 12529,2 грн.

Ефективність від впровадження річної програми виробництва вимірювачів (2000 шт. на рік) на ВАТ “Брацлав” становитиме 1112,0 тис. грн.

Розроблений вимірювання кількості молока пропорційного типу впроваджено у серійне виробництво на ВАТ “Брацлав” та в навчальному процесі кафедри механізації і автоматизації в тваринництві Львівського державного аграрного університету.

ВИСНОВКИ

Основою оперативної інформації під час організації годівлі, планомірної зооветеринарної та селекційної роботи на молочних фермах з одночасним враху-ванням індивідуальних особливостей кожної тварини при їх масовому обслу-говуванні є індивідуальний облік молока, роль якого зростає в міру росту рі-вня автоматизації доїльних установок і впровадження у виробництво автома-тизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП).

Нормування концентрованих кормів у разі згодовування їх дійним коровам залежно від індивідуальних добових надоїв підвищує ці надої на 10-15%, а витрату концентратів знижує на 15-17%.

1. Ретроспективним аналізом методів і технічних засобів індивідуаль-ного обліку молока встановлено перевагу пропорційних вимірювачів молока. Вимірювач такого типу свого часу був освоєний виробництвом ВАТ «Брац-лав», але його порівняльні випробування з кращими світовими зразками в умовах виробничої експлуатації в складі доїльних установок УДМ-100 та УДБ-100 показали, що його відносна похибка вимірювання сягає 15-20% (допустима чинними стандартами 5%), що зумовило проведення удосконалення вказаного пристрою.

2. На основі моделювання гідромеханічних процесів взаємодії потоку молока з конструктивними елементами серійного вимірювача ІУ-1 і проведених експериментальних досліджень встановлено ідентичність фізичної та математичної моделей вимірювання кількості молока, що дало підставу використовувати одержані результати для обґрунтування параметрів вимірювача під час його удосконалення. В процесі досліджень розробленого зразка встановлено, що найвпливовішими конструкційними і режи-мними параметрами є відстань від торця наконечника до напрямної поверхні кришки, кут нахилу корпуса, швидкість витікання молока, радіус кривизни напрямної поверхні кришки.

3. Встановлено, що за наявності сферичної камери формування дози зі збіль-шенням інтенсивності потоку рідини через доїльний апарат від 1 до 8 кг/хв швидкість її руху в камері формування потоку підвищується у 2,5-3,2 раза, при цьому здійснюється падіння тиску на 20-22 кПа. У разі відсутності камери формування дози швидкість руху рідини та падіння вакуумметричного тиску зменшується в 1,8-2,0 раза, тобто за відсутності камери формування дози динамічні процеси під час формування потоку здійснюються спо-кійніше – з меншими пульсаціями швидкості та вакуумметричного тиску. Зміна вакуумметричного тиску в камері форму-вання потоку (35-55 кПа) та інтенсивність потоку рідини через пристрій (1-8 кг/хв) не суттєво впливають на похибки вимірів, які зберігаються для всіх режимів у межах: абсолютна похибка до 0,15 кг, відносна – 3%. Похибка вимірю-вання кількості молока зростає при збільшенні кута нахилу корпуса відносно його вертикальної осі, але в межах вірогідних відхилень ±5°, що має місце в умо-вах експлуатації. Похибка дослідного зразка становить: абсолютна ±0,25 кг, відно-сна – 5%.

4. Встановлені раціональні параметри удо-сконаленого вимірювача молока: діаметр камери D – 0,07 м; кут при вершині конусоподібної напрямної кришки б – 60°; відстань від центра камери до зовнішньої стінки щілини l –

0,035 м; висота напрямного конуса h – 0,02 м; радіус заокруглення профілю кри-шки R – 0,02 м. Відхилення розмірів визначені в межах ±2%.

5. Одержані теоретичні та експериментальні результати досліджень і результати експлуатаційних випробувань практично реалізовані у розробці удосконаленого пропорційного вимірювача кі-лькості видоєного молока, серійне виробництво якого освоєно на ВАТ «Брацлав».

6. За рахунок зменшення витрат кормів і підвищення надоїв молока роз-рахункова річна економічна ефективність від впровадження одного удосконаленого вимірювача становить 1044,1 грн., для ферми на 200 корів (12 вимірювачів) – 12529,2 грн., а ефективність від впровадження річної програми їх виробництва (2000 шт.) на ВАТ «Брацлав» – 1112,0 тис, грн.

Список опублікованих праць

1. Остапенко М.А., Михайленко П.М. Про напрямки удосконалення пристроїв для контрольного доїння корів // Механізація та електрифікація сіль-ського господарства: Міжвідомчий тематичний науковий збірник. - Вип. № 83. – Глеваха: ННЦ "ІМЕСГ", 2000. – С. 148-150. (частка здобувача 70%)

2. Михайленко П.М., Лінник М.К. Пристрій для контрольного доїння корів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Вип. 1, том 23. – Мелітополь: ТДАТА, 2001. – С. 116-122. (частка здобувача 70 %)

3. Михайленко П., Остапенко М. Засоби проведення випробувань пристроїв для контролю доїння корів в умовах виробництва // Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. – №5. – Львів, 2001. – С. 93-97. (частка здобувача 70%)

4. Михайленко П.М., Остапенко М.А., Іванов М.І., Переяславський О.М., Іванова О.М. Удосконалення механізму визначення кількості молока молокоміру // Вибрации в технике и технологіях: Всеукраїнський науково-технічний журнал. 2003.– № 3. – С. 29-33. (частка здобувача 30%)

5. Михайленко П.М., Лінник М.К., Іванов М.І., Остапенко М.А., Переяславський О.М. Удосконалення конструкції пристрою обліку молока // Вісник аграрної науки. – № 7. – К. 2003. – С. 45-49. (частка здобувача 30%).

6. Михайленко П.М. Експериментальні дослідження роботи пристрою для контрольного доїння корів // Матеріали XII Між-на-род-но-го (І Україн-сь-ко-го) сим-по-зіуму з пи-тань ма-шин-но-го до-їння корів (11-14 трав-ня 2004 р.). – Гле-ваха: ННЦ "ІМЕСГ", 2005. – С. 155-162.

7. Михайленко П., Дмитрів В., Жінчин Я., Остапенко М., Дріго В. Динамічні характеристики витратомірів стосовно автоматизованої системи керування технічним процесов машинного доїння. // Вісник Львівського державного університету: Агроінженерні дослідження. – №9. – Львів, 2005. – С. 255-263. (частка здобувача 30%)

8. Пат. 6569 Україна, МКИ 7А01J7/100. Вимірювач кількості молока. / Михайленко П.М. - №20041008318, Заявл. 13.10.2004; Опубл. 16.05.2005; Бюл. №5. - 3 с.

9. Михайленко П.М. Обґрунтування параметрів вимірювача молока // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Вип.36. – Мелітополь: ТДАТА, 2006. – С. 132-140.

10. Остапенко М.А., Михайленко П.М., Брыльянт В.Ф. Технологические и технологические требования к оборудованию для промывки молокопроводящих систем доильных установок // Новые направления развития технологий и технических средств в молочном животноводстве: Материалы ХІІІ Международного симпозиума по вопросам машинного доения сельскохозяйственных животных (Гомель, 27-29 июля 2006 г.). – Минск, 2006. – С. 152-157.

11. Пат. 54623 Україна, 7Ф01J5/00,9/00. Доїльна установка., Заявл. 17.03.2003., бюл.№3.

12. Правила машинного доїння корів. – Глеваха: ННЦ «ІМЕСГ», 2004. – 37 с. (частка здобувача 15%)

Анотація

Михайленко П.М. Обґрунтування параметрів вимірювача кількості молока пропорційного типу. – 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 і електрифікації сільського господарства", Глеваха, 2007.

Дисертація присвячена питанням підвищення точності вимірювання кількості молока в процесі машинного доїння. Проаналізовано існуючі методи і технічні засоби вимірювання кількості молока та праці вчених, присвячені даній проблемі, доведена необхідність дослідження та удосконалення вимірювача кількості молока пропорційного типу.

Розроблено конструкцію вимірювача, одновимірну модель руху молока. Виконано теоретичні дослідження роботи вимірювача, проведено моделювання конструктивних і геометричних параметрів, що уможливило зменшити похибку вимірювання.

Експериментальними дослідженнями доведено працездатність вимірюва-ча та точність вимірювання кількості молока в процесі машинного доїння. Розроблено технічні умови на серійне виробництво.

Ключові слова: вимірювач молока, машинне доїння, математична модель, геометричні параметри, похибка, швидкість, вакуумметричний тиск.

Аннотация

Михайленко П.М. Обоснование параметров измерителя количества молока пропорционного типа. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохо-зяйствен-ного производства. – Национальный научный центр "Институт механизации и электрификации сельского хозяйства", Глеваха, 2007.

Диссертация посвящена вопросам повышения точности измерения количества молока в процессе машинного доения измерителем пропорционного типа.

На основании результатов ретроспективного анализа методов и техни-чес-ких средств индивидуального учета молока в процессе доения и работ ученых, посвященных этой проблеме, доказана необходимость исследования и усовер-шенствования измерителя количества молока пропорционного типа с целью повышения точности измерения при различных дестабилизирующих факторах.

Исходя из гидродинамических теорий движения жидкости, для расчетной схемы измерителя разработаны математические модели транспортирования и распределения молока в устройстве, позволяющие моделировать в системе МАРLE, конструкционные параметры и геометрические характе-ристики крышки измерителя, ошибку измерения количества молока при воздействии дестабилизирующих факторов: радиуса кривизны крышки, кута установки измерителя, скорости потока молока, вакуумметрического давления, расхода воздуха доильным аппаратом и др.

Разработана автоматизированная лабораторная установка для исследования измерителей количества молока в процессе машинного доения с возможностью создания базы данных.

В результате проведенных исследований разработан измеритель количества молока пропорционного типа, проверка работы которого в лабораторных и производственных условиях показала его работоспособность, высокую точность измерения, надежность и эффективность (декларационный патент Украины № 6598).

Разработанные методика его инженерного расчета и технические условия на серийное производство подтверждают возможность его широкого и эффективного применения на животноводческих предприятиях различных размеров и форм собственности.

Ключевые слова: измеритель молока, машинное доение, математическая модель, геометрические параметры, ошибка, скорость, вакуумметрическое давление.

Annotation

Mykhaylenko P.M. Foundation of parameters of milk quantity gage of proportional type. - Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree in Technical Sciences, speciality 05.05.11 – Machinery and means of Mechanization of Farm Production. – National scientific center "Institute of Agricultural and Electrification", Glevaha, 2007.

The research focuses on the problems of increasing of accuracy of measurement of milk quantity in process of machine milking. The existing methods and technical devices of measurement of milk quantity, as well as tracts of scientists, devoted to this problem, are analyzed in thesis. It is proved the necessity of research and improvement of milk quantity gage of proportional type.

The construction of gage and one – dimensional model of milk movement are developed by the author of thesis. Performed theoretical investigations of gage functioning and modeling of design and geometrical factors allowed decreasing the precision of measurements.

The experimental researches prove the operability of the gage and accuracy of measurement of milk quantity in process of machine milking. The technical conditions for serial production are developed.

Key words: milk gage, machine milking, mathematical model, geometrical factors, precision, speed, vacuum, metric pressure.