Обоснование конструктивных параметров и режимов работы шестеренного пневмодвигателя устройства отключения доильного аппарата
1
На правах рукописи
ЛУКМАНОВ РУСЛАН РУШАНОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И
РЕЖИМОВ РАБОТЫ ШЕСТЕРЕННОГО
ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ УСТРОЙСТВА ОТКЛЮЧЕНИЯ
ДОИЛЬНОГО АППАРАТА
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Чебоксары – 2012 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» на кафедре машин и оборудования в агробизнесе
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зиганшин Булат Гусманович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алешкин Владимир Романович доктор технических наук, профессор Зайцев Петр Владимирович
Ведущая организация – ГНУ Зональный НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого РАСХН
Защита состоится 2 марта 2012 года в 9 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюд жетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. Карла Маркса, д. 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионально го образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».
Автореферат разослан января 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. Алатырев С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Молочное животноводство – одна из наиболее сложных и трудоемких отраслей сельскохозяйственного производства. Поэтому повышение его эффективности предполагает внедрение на фермах и комплексах новых средств механизации технологических процессов, одним из которых является машинное доение.
Машинное доение коров – это наиболее трудоемкий процесс в молочном животноводстве. При этом, в подготовительно-заключительном цикле операций, выполняемых оператором, на машинное додаивание и съем доильных стаканов с вымени животного приходится более одной третьи общих затрат времени. Поэто му механизация заключительных операций позволит существенно, до 30 %, повы сить производительность труда оператора машинного доения.
На наш взгляд, наиболее рациональный путь повышения эффективности от расли молочного животноводства заключается в комплектации существующих доильных установок переносными доильными аппаратами с устройством, обеспе чивающим отключение и снятие доильных стаканов с сосков вымени по заверше нии процесса доения коров.
На кафедре машин и оборудования в агробизнесе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» разработано, изготовлено и исследовано новое переносное устройство отключения доильного аппарата с пневмодвигате лем, обладающий рядом преимуществ по сравнению с аналогами.
Работа выполнена в соответствии: с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ» «Обоснование конструктивных параметров и режи ма работы автоматизированного доильного аппарата» (гос. рег. № 01200614943);
с программой развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан (РТ) до 2012 года «Разработка энергосберегающих вакуумных насосов для доильных машин»;
с координационной программой по проблеме «Разработать системы техно логизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производ ства, как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации: Северо Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов на 2001-2010 гг.».
Цель работы: Повышение качества машинного доения коров путем созда ния переносного устройства отключения доильного аппарата с пневмодвигателем.
Объект исследования. Переносное устройство отключения доильного аппа рата с шестеренным пневмодвигателем и его рабочий процесс.
Предмет исследования. Закономерности рабочего процесса переносного устройства отключения доильного аппарата с шестеренным пневмодвигателем.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использо ванием теории машин и механизмов, основных законов классической механики и методов физического моделирования. Экспериментальные исследования прово дились на специальных стендах с использованием методов активного планирова ния многофакторного эксперимента. Результаты экспериментов обработаны с по мощью известных компьютерных программ и методов математической статисти ки.
Задачи исследования:
1. На основе анализа результатов научных исследований и известных техниче ских решений выявить направление разработки устройства отключения и съема доильного аппарата.
2. Обосновать конструктивные параметры шестеренного пневмодвигателя устройства отключения доильного аппарата.
3. Разработать новую конструкцию шестеренного пневмодвигателя устройства отключения доильного аппарата.
4. Провести лабораторные и производственные испытания разработанного устройства отключения и съема доильного аппарата для подтверждения досто верности результатов теоретических исследований.
5. Внедрить результаты исследований в производство, провести их технико экономическую и энергетическую оценку.
Научная новизна состоит:
- в разработке теоретических основ расчета и проектирования шестеренного пневмодвигателя переносного устройства отключения доильного аппарата;
- в разработке математической модели рабочего процесса шестеренного пневмодвигателя;
- в разработке нового устройства автоматического отключения доильного ап парата (патенты РФ на изобретение № 2395196 и полезную модель №82517).
Практическая ценность заключается в возможности использования полу ченных теоретических, экспериментальных результатов и предложенных методик расчета конструктивных параметров шестеренного пневмодвигателя при разра ботке переносных устройств отключения доения с пневмодвигателем конструк торскими организациями. Полученные результаты внедрены в учебном процессе для студентов Института механизации и технического сервиса ФГБОУ ВПО «Ка занский ГАУ».
Опытное переносное устройство отключения с пневмодвигателем внедрен в ООО «ДаМилк–Агро» (г. Казань) и в ООО «Нива» Актанышского района РТ.
Апробация. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Института механизации и технического сервиса ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ»
(Казань, 2006 – 2011 гг.);
на Х международной научно-производственной конфе ренции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, 2006 г.);
на IХ международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008 г.);
на всероссий ской научно-практической конференции «Перспективы развития агропромышлен ного комплекса России» (Москва, 2008 г.);
на XIV международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и пе реработке молока (Углич, 2008 г.);
на IX международной научно-практической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприя тиях народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство)»
(Пенза, 2009 г.).
Опытное переносное устройство отключения доильного аппарата с пневмо двигателем демонстрировался на ежегодных международных выставках «Интера гро. Анимед. Фермер Поволжья» (г. Казань, в 2008-2010 гг.). В 2008 г. автор яв лялся дипломантом всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России по номинации «Технические науки»;
в 2010 г. на всероссийской молодежной научно-технической конференции «ИДЕЛЬ-3» автор признан победителем про граммы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»
(У.М.Н.И.К.).
Основные положения, выносимые на защиту:
– теоретические зависимости рабочего процесса двухроторного шестеренного пневмодвигателя;
– закономерности изменения основных показателей работы двухроторного шестеренного пневмодвигателя от факторов, влияющих на расход воздуха и мощ ность пневмодвигателя;
– новая конструкция переносного устройства отключения доильного аппара та с пневмодвигателем для повышения качества доения коров;
– результаты лабораторных исследований и производственных испытаний разработанного переносного устройства отключения доильного аппарата с пнев модвигателем;
– технико-экономическое обоснование эффективности разработанного пере носного устройства отключения доильного аппарата с пневмодвигателем.
Публикации. Основное содержание диссертации, результаты исследований отражены в 15 статьях, в том числе в 4 статьях центральных журналов, рекомен дованных ВАК и в трудах различных международных симпозиумов и конферен ций (11 статей), получены патенты РФ на изобретение № 2395196 и на полезную модель № 82517.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 162 страницах машинописного текста, список литературы содержит наименований, в том числе 5 на иностранных языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлены: актуальность работы, цель, объект, предмет и методы исследований;
научная новизна, практическая ценность и апробация ра боты;
реализация и внедрение результатов диссертационных исследований;
из ложены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Современное состояние вопроса механизации доения ко ров» представлены основные направления совершенствования доильных аппара тов и манипуляторов. Проанализированы конструкции доильных аппаратов, дат чиков потока молока и манипуляторов, приведена их классификация. В результа те выявлены основные направления по разработке устройств, отвечающих физио логическим и зоотехническим требованиям. В разделе также представлены ос новные зоотехнические требования, предъявляемые к доильным установкам. В разделе отмечается, что в развитие теории машинного доения и в разработку кон струкций доильных аппаратов значительный вклад внесли такие ученые как: В.Р.
Алешкин, И.Е. Волков, Н.Н. Зорин, Л.П. Карташов, Э.А. Келпис, В.В. Кирсанов, В.Ф. Королев, И.Н. Краснов, З.В. Макаровская, Ю.А. Цой и др. Вопросом со вершенствования устройств автоматического управления доильным аппаратом посвящены работы И.К. Винникова, О.Б. Забродиной, Л.П. Кормановского, О.В.
Ужика, М.Л. Гордиевских, А.Ю. Кирьянова и ряда других авторов. В конце раз дела приведены цель и задачи исследований.
Во втором разделе «Основы теории построения шестеренного пневмодвига теля устройства отключения доильного аппарата» приведен анализ расчета кон структивных параметров шестеренных насосов и пневмодвигателей, и предложе ны методы расчета конструктивно-технологических параметров (мощности и рас хода) шестеренного пневмодвигателя, а также аналитический метод определения движения доильных стаканов.
В качестве исполнительного органа переносного устройства отключения до ильного аппарата при проведении исследований взят двухроторный шестеренный пневмодвигатель.
Потребная мощность на барабане пневмодвигателя N зависит от массы под весной части доильного аппарата и необходимой скорости ее подъема, для обес печения условия безударного съема аппарата:
Т N F r Т, (1) r где N – потребная мощность пневмодвигателя, Вт;
F – сила действующая на подъ ем, Н;
Т – момент вращения на барабане пневмодвигателя, Нм;
– необходимая линейная скорость перемещения доильного аппарата, м/с;
– необходимая угло вая скорость вращения барабана, рад/с;
r – радиус барабана, м.
Теоретический крутящий момент шестеренного пневмодвигателя можно определить, используя уравнение длины дуги эвольвенты ds R0d, (2) где ds – элементарная длина дуги эвольвенты;
R0 – радиус основной окружности;
– угол развернутости эвольвенты.
Элементарная сила, возникающая под действием пе репада давления на элементарную площадь (рисунок 1), dF Pк bш ds, (3) где Рк – перепад давления, который испытывает криво линейная поверхность, кПа;
bш const – ширина элемен тарной площадки (зуба), м.
Элементарная сила, также как среднее давление газа, в любой точке всегда направлена по нормали к эвольвен те, а, следовательно, линия действия ее будет проходить по касательной к основной окружности.
Поэтому элементарный момент, образуемый под Рисунок 1 – Схема дей ствия сил на эвольвент- действием силы dF, dТ R0 dF.
ный профиль зуба (4) Подставляя в полученное выражение значения dF и ds, после интегрирования будем иметь:
x Т Pк bш R0 d, (5) где x – угол развернутости эвольвенты, которому соответствует переменный ра диус R.
Для обоснования дальнейших преобразований выражения (5) рассмотрим конструктивно–технологическую схему пневмодвигателя, представленную на рисунке 2.
Пневмодвигатель вращается под действием перепада давлений: атмо сферного P2 и вакуумметрического P1, последнее создается вакуумным насо сом ВН.
Пневмодвигатель состоит из двух роторов, входящих в зацепление друг с другом и вращающихся с угловой ско ростью вокруг осей О1 и О2. Полость вакуума «В» отделена от полости ат мосферного давления «А» зубьями 4', 4'', а также зубьями, находящимися в зацеплении 2', 2'' и 1', 1''.
При вращении роторов в межзу Рисунок 2 – Конструктивно– бовом пространстве 2', 2'' и 1', 1'' со технологическая схема пневмодвигателя здается давление Рx, пока зубья 1' и 1'' находятся в зацеплении. В зубьях 4', 4'' под действием перепада давления будут возникать активные моменты, а 2', 2'' и 1', 1'' – реактивные.
Воспользуемся формулой (5) и запишем выражения для определения актив ных и реактивных моментов, полагая, что роторы-шестерни имеют одинаковые размеры. Для активных моментов на зубьях 4' и 4'' имеем Т1 Т 2 Pbш R0 d, (6) где P – разность давлений между полостями атмосферного давления Р2 и вакуума.
Реактивные моменты равны:
1 x 1 1 x M 1 P2 bш R0 d ;
d ;
M 1 P2 bш R (7) 0 2 x 1 2 x M 2 P1bш R0 d ;
d ;
M 2 P1bш R (8) 0 1 3 x 3 x d, M 3 Pbш R M 3 Pbш R0 d ;
(9) где М'1 и М"1 – реактивные моменты соответственно на зубьях 1' и 1'';
М'2 и М"2 – реактивные моменты на зубьях 2' и 2'' при наличии перепада давления Р1;
М'3 и М"3 – реактивные моменты на зубьях 2' и 2'', но при наличии перепада дав ления Р;
P1 P1 Px – перепад давления, который испытывают зубья 2', 2'' за промежуток пути, пока зубья 1' и 1'' находятся в зацеплении;
P2 Px P2 – пере пад давления, который испытывают зубья 1' и 1''.
Заметим, что не все реактивные моменты существуют одновременно. При наличии защемленного межзубового пространства существуют моменты М'1, М" и М'2, М"2, а при отсутствии защемленного пространства (в зацеплении находится одна пара зубьев), существуют только реактивные моменты М'3 и М"3.
Рисунок 3 – К расчету пределов интегрирования Используя рисунки 1, 3 и пользуясь методиками расчета зубчатых механиз мов, разработанных А.Н. Остриковым, С.В. Харламовым, Е.М. Юдиным и др., определим пределы интегрирования:
R1 2 R02 ;
R12 R02 ;
Re2 R 1 1x 12x 12 ;
(10, 11, 12) 2 R R0 R R2 2 R02 R2 2 R 1 2 x ;
;
(13, 14) 2x 2 R0 R R3 2 R02 R32 R 1 3 x ;
(15, 16).
3x R R Подставив пределы интегрирования в интегральные выражения (6, 7, 8 и 9), после интегрирования получим:
Pbш Т1 Т Rа R0 ;
(17) P b P b M 1 2 ш R1 R0 ;
M 1 2 ш R1 R0 ;
2 2 (18) 2 P1bш P1bш R2 2 R02 ;
R2 2 R02 ;
M M2 (19) 2 Pbш Pbш R3 2 R02 ;
R32 R02.
M M3 (20) 2 Однако, при определении активных и реактивных моментов необходимо учесть, что радиус окружности впадин Ri меньше радиуса основной окружности R0.
Поверхность зуба ниже основной окружности также испытывает перепад давления и участвует в образовании момента. Причем среднее значение перепада давления на зубьях 4', 4'', 1', 1'' и 2', 2'' за время поворота шестерен на один шаг совершенно различное. Поэтому будет справедливым, если в формулах (17, 18, 19, 20) радиус основной окружности R0 заменить через Ri.
Сделав соответствующие преобразования, окончательно получим:
Pbш P2 bш R1 2 R12 2Ri2 ;
M Т Rа Ri2 ;
(21, 22) P b Pbш M 2 1 ш R2 R2 2 Ri2 ;
R2 2 R32 2Ri2.
2 2 M3 (23, 24) 2 Упростим формулы (22, 23 и 24), заменив в каждом выражении два перемен ных значения через одно (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема для замены двух неизвестных через одну Из треугольников О1АР и О2АР находим R2 2 Rн2 x2 2Rн x2 sin, R2 2 Rн2 x2 2Rн x2 sin ;
2 где – угол зацепления;
Rн – радиус начальной окружности;
х2 – расстояние от точки А до точки Р.
Подставляя значения R'2 и R''2 в формулу (23), после соответствующих пре образований, получаем.
M 2 P bш Rн Ri2 x 2 (25) Проведя аналогичные действия с формулами (22) и (24), находим M 3 Pbш Rн Ri2 x3, M 1 P2bш Rн Ri2 x12 ;
2 2 (26, 27) где x1=РВ, x2=РА'.
Для определения суммарного крутящего момента пневмодвигателя найдем среднее значение активных моментов при повороте роторов на шаг основной окружности t0:
t0 t P2bш P bш R R 2 M 1ср Ri2 x12 dx1 ;
M 2 ср Ri2 x2 dx2 ;
2 2 (28, 29) н н t0 t t0 t 2 t Pbш R M 3 ср Ri2 x3 dx3, 2 (30) н t0 t 0 t 1.
где - коэффициент перекрытия, соответствующий условию АА ВN Вычисляя данные выражения, получаем:
P2bш 1 2 t 0 3 M 1ср Rн Ri ;
(31) 12 2 P bш 1 2 t0 1 2 Rн Ri 12 1 ;
M 2 ср (32) 2 Pbш 3 2 t0 1 2 Rн Ri 12 3.
M 3 ср (33) 2 Суммарный крутящий момент двух роторов равен:
Т 2Т М1ср М 2 ср М 3ср. (34) Подставляя в данное выражение значения моментов, и сделав преобразова ния, окончательно находим 2 3 R 2 R 2 t02 1 2 3 Т Pbш Rе Ri н 12 i 2 (35) bш 1 2 t0 1 2 3 t 0 3 2 P Rн Ri 12 1 P2 Rн Ri 12 1.
2 2 Р Если принять P P2 и 1, получим 3 2 2 t02 3 9 2 18 Т Pbш Rе2 Ri2.
Rн Ri (36) 2 Подставляя полученное выражение в формулу (1) получим:
.
3 R 2 R 2 t02 3 9 2 18 N Pbш Rе Ri (37) н i 2 На основании полученной теоретической зависимости построен график N=f(Р) (рисунок 5), при bш=0,025 м, =157 с-1, Rе=0,0275 м, Ri=0,01875 м, =1,458, Rн=0,0225 м, t0=0,013.
Для определения расхода воздуха 6, 5, шестеренного пневмодвигателя вос 5, 5, пользуемся известной зависимостью 5, VznPa 5, QТ 4, N, Вт, (38) 4, 30Pб 4, 4, где V – объем в межзубовом простран 4, 3, стве, м3;
z – число зубъев пневмодвига 3, 3, теля, шт.;
n – частота вращения, мин-1;
3, Pб = Pа - Pв – перепад давления, кПа;
3, 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 Pа – барометрическое давление окру P, кПа Рисунок 5 – Зависимость теоретической жающей среды, кПа, Рв – вакуумметри ческое давление, кПа.
мощности N от величины вакуума Р Подставляя значение теоретического крутящего момента из приведенной формулы (36) в формулу (38), после несложных преобразований получим форму лу для определения расхода свободного воздуха:
3 R 2 R 2 t02 3 9 2 18 12 Pa nbш Rе2 Ri2, м /с. (39) QТ н 30Pб i 2 На рисунке 6 представлена зави 0, симость теоретического расхода воз 0, духа от величины вакуума QТ=f(Р).
0, 0, Таким образом, на основании Qт, м 3/ч 0, последней зависимости и приведн 0, ного графика можно предварительно 0, выбрать основные размеры роторов 0, и достаточно точно рассчитать тео 0, 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 ретическую мощность и расход воз P, кПа духа шестеренного пневмодвигателя.
bш = 0,025 м, R = 0,0275 м, R = 0,0225 м, н e - t0 = 0,013 м, n = 1500 мин Рисунок 6 – Зависимость теоретического расхода воздуха QТ от величины вакуума P В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследова ний шестеренного пневмодвигателя устройства отключения доильного аппарата»
представлены программа и методика экспериментальных исследований;
методика активного планирования эксперимента;
схемы экспериментальных стендов (рису нок 7).
Исследуемый шестеренный пневмодвигатель имеет следующие параметры:
длина роторов зубчатого колеса bш = 0,025 м, модуль зуба m’ = 5, число зубьев z = 8 шт, наружный диаметр зубчатого колеса dе = 0,055 м, внутренний диаметр – di = 0,0375 м. Исследования проводились изменением площади сечения выпуск ных и впускных окон, диаметра барабана, на который наматывается нить и изме нением вакуума в пределах от 30 до 55 кПа.
1 – доильные стаканы;
2 – коллек тор;
3 – устройство отключения до ильного аппарата со встроенным пульсатором;
4 – блок питания;
5 – пневмодвигатель;
6 – тахометр;
7 – груз;
8 – секундомер электрон ный;
9 – переключатель поршневой;
10 – кран шаровый вакуумный;
11 – газовый счетчик BK – G4;
12 – кран молочный;
13 – молоко провод;
14 – вакуумпровод;
15 – ис кусственное вымя;
16 – вакуумметр Рисунок 7 – Структурно – функциональная схема экспериментального стенда Для обработки лабораторных и производственных исследований использова лось современное программное обеспечение, в частности «STATISTIKA–6».
В четвертом разделе «Анализ результатов экспериментальных исследова ний» приведены результаты лабораторных и производственных исследований и испытаний.
На расход воздуха и потребную мощность шестеренного пневмодвигателя влияют внутренний диаметр выпускного патрубка, диаметр барабана и величина вакуума. На рисунках 8 и 9 представлены зависимости фактического расхода воз духа и потребной мощности от значения вакуума Р при разных диаметрах бараба на и внутренних диаметрах выпускного патрубка (с учетом передаточного числа ременной передачи и диаметра барабана).
0, 0, 0, 0, Q, м3/ч 0, 0, N, Вт 0, 0, 0,01 N N 5 N 0, N 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 N P, кПа 0 N 28 32 36 40 44 48 52 Q1 Q2 Q3 Q4 N 30 34 38 42 46 50 N Q5 Q6 Q7 Q8 P, кПа Q1 – при диаметре барабана D=10 мм и внут- N1 – при диаметре барабана D=10 мм и реннем диаметре выпускного патрубка внутреннем диаметре выпускного патрубка d=3 мм;
Q2 – при D=10 мм и d=6 мм;
Q3 – при d=3 мм;
N2 – при D=10 мм и d=6 мм;
N3 – при D=10 мм и d=9 мм;
Q4 – при D=16 мм и D=10 мм и d=9 мм;
N4 – при D=16 мм и d=3 мм;
Q5 – при D=16 мм и d=6 мм;
Q6 – при d=3 мм;
N5 – при D=16 мм и d=6 мм;
N6 – при D=16 мм и d=9 мм;
Q7 – при D=22 мм и D=16 мм и d=9 мм;
N7 – при D=22 мм и d=6 мм;
Q8 – при D=22 мм и d=9 мм d=6 мм;
N8 – при D=22 мм и d=9 мм Рисунок 8 – Графическая зависимость расхо- Рисунок 9 – Графическая зависимость да воздуха Q пневмодвигателем от значения мощности N пневмодвигателя от значения вакуума Р при подъеме подвесной части до- вакуума Р при подъеме подвесной части ильного аппарата массой m = 3 кг доильного аппарата массой m = 3 кг Анализируя характер изменения расхода воздуха Q и мощности N, следует от метить, что с увеличением величины вакуума, внутреннего диаметра выпускного патрубка и уменьшением диаметра барабана происходит снижение значения рас ходуемого воздуха Q пневмодвигателем, а его потребная мощность увеличивает ся. Это связано с объемом перетечек газа через щели и изменением момента со противления барабана за счет увеличения диаметра.
В ходе исследования влияния величины разряжения воздуха на мощность пневмодвигателя, была установлена минимальная частота вращения барабана, при которой возможна работа пневмодвигателя (рисунок 10). В результате проведения эксперимента по определению влияния внутреннего диаметра выпускного па трубка на мощность, снимаемую с барабана пневмодвигателя, получена зависи мость массы груза m, поднимаемого пневмодвигателем от диаметра выпускного патрубка (рисунок 11), при величине вакуума 50 кПа.
Анализ данной зависимости (рисунок 10) показывает, что работоспособность пневмодвигателя возможна при минимально допустимой частоте вращения бара бана пневмодвигателя равной n 100 мин-1, при ее дальнейшем снижении проис ходит остановка ротора пневмодвигателя и потеря его работоспособности. Массы груза, отмеченные на графике (рисунок 11), получены при минимально допусти мой частоте вращения барабана пневмодвигателя n 90-100 мин-1.
9, 8, 450 8, 7, 7, m, кг n, мин- 350 6, 6, 5, 5, 4, 200 4, 2 3 4 5 6 7 8 9 d, мм 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 m, кг = -3,6978+2,6212*d-0,1414*d^ Р, кПа Рисунок 11 – Зависимость массы поднимае n, мин -1 = -1167,1429+52,8171* P-0,4229* P^ мого груза пневмодвигателем от внутреннего Рисунок 10 – Зависимость частоты враще диаметра выпускного патрубка ния барабана от величины вакуума Результаты лабораторных исследований по определению необходимой ско рости движения нити для выполнения условия безударного снятия доильного ап парата представлены на рисунке 12. Снятие доильного аппарата без удара о пол наблюдалось при скорости движения нити 0,35 м/с.
Производственные испытания переносного манипулятора доения, проведен ные в хозяйстве ООО «Нива» Актанышского района РТ, показали хорошую рабо тоспособность (рисунок 13, таблица 1).
1, 0, 0, 0, 0, v, м/с 0, 0, 0, 0, 0, v 1, м/с 0, v 2, м/с 8 10 12 14 16 18 20 22 24 v 3, м/с D, мм Рисунок 12 – Зависимость скорости движения Рисунок 13 – Производственные испы нити с подвесной частью доильного аппарата тания переносного манипулятора от диаметра барабана доения Таблица 1 - Сравнительные показатели эффективности работы доильных аппаратов № Значения Показатели п/п экспериментальный базовый Разовый удой коров, кг 1. 10,2 9, Содержание жира в молоке, % 2. 3,56 3, Содержание белка в молоке, % 3. 3,23 3, Анализируя таблицу 1, можно сделать следующие выводы: при доении экс периментальным устройством отключения доильного аппарата наблюдается по вышение удоя (на 3…4 %) и жирности молока (на 0, 5…0,56%). Это объясняется тем, что контроль выдоенности животного происходит без участия человека, а в конце доения жирность молока – максимальная.
В пятом разделе «Технико-экономическое обоснование переносного устрой ства отключения доильного аппарата с пневмодвигателем» приведены результаты расчетов технико-экономических и энергетических показателей разработанной конструкции переносного устройства отключения доильного аппарата с шесте ренным пневмодвигателем.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ результатов исследований конструкций датчиков потока молока и ма нипуляторов в целом показал, что перспективными направлениями в создании доильных аппаратов является разработка конструкций с множеством функций, обеспечивающих полное выведение молока без проведения машинного додаива ния и нарушения физиологических требований. Применение такого доильного аппарата позволит значительно упростить конструкцию используемых манипуля торов. Поэтому обоснование параметров и режимов работы переносного устрой ства отключения доильного аппарата с шестеренным пневмодвигателем является актуальной задачей для совершенствования технических средств машинного дое ния.
2. Разработаны теоретические основы расчета, проектирования шестеренного пневмодвигателя и представлено аналитическое определение перемещения до ильных стаканов. Разработаны математические модели (35, 36, 37, 39), позволяю щие определить крутящий момент, мощность и расход воздуха пневмодвигателя.
3. Для повышения качества машинного доения коров было создано устройство от ключения доильного аппарата при окончании молокоотдачи. На основании теоре тических и экспериментальных исследований обоснованы конструктивно технологические параметры и режимы работы пневмодвигателя. При увеличении внутреннего диаметра выпускного патрубка с 3 до 9 мм, диаметра барабана с 10 до 25 мм и величины вакуума от 30 до 55 кПа, расход воздуха уменьшается с 0,009 до 0,0854 м3/ч, а мощность на валу барабана увеличивается с 0,25 до 8,95 Вт.
4. Производственные испытания подтвердили работоспособность предлагаемого доильного аппарата с устройством отключения и пневмодвигателем. Оптимальная частота вращения барабана при снятии доильного аппарата находится в пределах 400 мин-1, что обеспечивает скорость движения нити 0,35-0,38 м/с, среднее время снятия аппарата 6 с, расход воздуха за одно снятие составил 0,025 м3/ч.
5. Энергетическая оценка разработанного экспериментального устройства отклю чения доильного аппарата показала снижение энергоемкости оборудования на 4 %, прямых затрат энергии на 2 %, совокупных затрат на 3,5 %, коэффициент энергетических затрат равен 0,96.
6. Производственная проверка разработанного переносного устройства отключе ния доильного аппарата с шестеренным пневмодвигателем подтвердила целесо образность и эффективность его применения. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования экспериментального доильного аппарата с устройством отключения и пневмодвигателем составляет 65804 рублей (в ценах 2010 г) на 200 коров, за счет снижения себестоимости молока.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В журналах, рекомендуемых ВАК:
1. Зиганшин, Б.Г. Восстановление вакуума в доильном аппарате с индивидуаль ным насосом / Б. Г. Зиганшин, И. Е. Волков, Ф. Ф. Ситдиков, Р. Р. Лукманов // Трак торы и сельскохозяйственные машины. – 2007. – №4. – С. 48-49.
2. Гаязиев, И.Н. Вакуумный насос для доильных установок / И.Н. Гаязиев, Р.Р.
Лукманов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – №10. – С. 12-14.
3. Лукманов, Р.Р. Определение крутящего момента двухроторного вакуумного двигателя / Р.Р. Лукманов, Б.Г. Зиганшин, И.Е. Волков // Механизация и электри фикация сельского хозяйства. – 2009. – №10. – С. 14-16.
4. Лукманов, Р.Р. Аналитический метод расчета некоторых технологических параметров манипулятора доильного аппарата / Р.Р. Лукманов, И.Е. Волков, Б.Г. Зиганшин // Вестник Казанского ГАУ, 2011. – №1(19). – С. 103-104.
В материалах международных конференций и других изданий:
5. Лукманов, Р.Р. Энергетический расчет и сравнение разработанного техниче ского средства (ДМФ-1) для доения коров / Р.Р. Лукманов, Б.Г. Зиганшин, И.Е. Волков, Ф.Ф. Ситдиков // Труды инженерных факультетов Казанского ГАУ.
– Казань: Изд-во Казанск. ГАУ, 2006.– С. 319-322.
6. Лукманов, Р.Р. К анализу конструкций автоматов отключение доильных ап паратов / Р.Р. Лукманов // Молодые лидеры аграрного сектора России. – Казань:
Изд-во Казанск. ГСХА, 2006. – С. 187-188.
7. Лукманов, Р.Р. Автомат отключения доильного аппарата / Р.Р. Лукманов, И.Е Волков, Б.Г. Зиганшин // Материалы Х международной научно- производственной конференции. Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения. – Белгород: Изд-во Белгородск. ГСХА, 2006. – Т.2. – С. 202-203.
8. Зиганшин, Б.Г Автоматическое устройство для отключения доильного аппарата / Б.Г. Зиганшин, И.Е. Волков, Р.Р. Лукманов // Технологические и технические аспекты развития сельского хозяйства. – Казань: Изд-во Казанск. ГАУ, 2007. – С. 183-186.
9. Лукманов, Р.Р. К вопросу повышения качества молока / Р.Р. Лукманов // IX международная конференция молодых ученых. Пищевые технологии и биотехно логии. – Казань: Изд-во Казанск. ГТУ (КХТИ), 2008. – С. 412.
10. Лукманов Р.Р. Экспериментальный стенд для исследования автомата от ключения доильного аппарата / Р.Р. Лукманов // Современные технические во просы агропромышленного комплекса: Матер. всероссийск. науч.-практ. конф. – Казань: Изд-во Казанск. ГАУ, 2008. – Т. 75. Ч. 4.– С. 48-51.
11. Луманов, Р.Р. Разработка автомата отключения доильного аппарата / Р.Р. Лукманов // Перспективы развития агропромышленного комплекса России:
Сб. матер. всероссийск. науч.-практ. конф. – М.: Изд-во МГАУ, 2008. – С. 80-82.
12. Лукманов, Р.Р. Экспериментальный стенд для исследования вакуумного двигателя манипулятора доильного аппарата / Р.Р. Лукманов // Матер. всерос сийск. науч.-практ. конф. «Инновационное развитие агропромышленного ком плекса». – Казань: Изд-во Казанск. ГАУ, 2009. – Т 76. Ч. 2. – С. 143-145.
13. Хакимов, И.Р. Анализ конструкций датчиков потока молока / И.Р. Хакимов, Р.Р. Лукманов // Материалы 67 студенческой научной конф. «Студенческая наука для агропромышленного комплекса, лесного хозяйства и экологии». – Казань:
Изд-во Казанск. ГАУ, 2009. – Ч. 2. – С. 23-26.
14. Лукманов, Р.Р. Использование энергосберегающих автоматов отключения в доильных установках / Р.Р. Лукманов, И.Е. Волков, Б.Г. Зиганшин, И.И. Кашапов // Сборник статей IX международной научно-практической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство)». – Пенза: Изд-во Приволжский Дом знаний, 2009. – С. 50-52.
15. Гаязиев, И.Н. Повышение эффективности двухроторных вакуумных насосов с циклоидальным профилем роторов / И.Н. Гаязиев, И.Е. Волков, Б.Г. Зиганшин, А.А. Мустафин, Р.Р. Лукманов // Труды XIV международного симпозиума по ма шинному доению сельскохозяйственных животных. – Углич: Изд-во Уникан, 2009. – С. 205-210.
16. Пат. 82517 Российская Федерация, МПК7 А 01 J 7/00. Устройство автоматиче ского отключения доильного аппарата (описание полезной модели) / Лукманов Р.Р., Зиганшин Б.Г., Волков И.Е. и др.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Казан ский государственный аграрный университет». - № 2008144134/22;
заявл. 07.11.08;
Опубл. 10.05.09. Бюл. №13. – 1 с.
17. Пат. 2395196 Российская Федерация, МПК7 А 01 J 5/00. Устройство автома тического отключения доильного аппарата (описание изобретения) / Лукманов Р.Р., Волков И.Е., Зиганшин Б.Г. и др.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ка занский государственный аграрный университет». - № 2008137889/12;
заявл.
22.09.08;
- Опубл. 27.07.10. Бюл. №21. – 4 с.
* Особая благодарность выражается д.т.н., профессору Волкову И.Е. за консультацию и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Формат 6084/16 Тираж 100 Подписан к печати 19.01.2012 г.
Печать офсетная. Усл.п.л. 1,00 Заказ Издательство Казанского ГАУ / 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД №06342 от 28.11.2001 г.
Отпечатано в типографии Казанского ГАУ 420015 г. Казань, ул.К. Маркса, д.65.
Казанский государственный аграрный университет