Повышение эффективности машинного доения коров за счет обоснования энергосберегающих режимов работы и оптимизации конструктивно-техологических параметров вакуум-силовых установок
На правах рукописи
Соляник Светлана Сергеевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИННОГО ДОЕНИЯ КОРОВ ЗА
СЧЕТ ОБОСНОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМ-СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяй-
ства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин-2009 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграр ный университет» на кафедре технической механики и гидравлики
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Соминич Анатолий Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович кандидат технических наук, доцент Круглов Сергей Анатольевич
Ведущая организация: ГНУ «Северо-Западный научно исследовательский институт механи зации и электрификации сельского хозяйства»
Защита состоится « 2 » июля 2009 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссерта ционного совета Д.220.060.06 в ФГУО ВПО «Санкт-Петербургский государ ственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского госу дарственного аграрного университета.
Автореферат разослан и размещен на сайте http://www/spbgau.ru.
«26 » мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Смирнов В.Т.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В повышении уровня производства продукции молоч ного животноводства и улучшении ее качества большое значение, вместе с корм лением и содержанием животных, имеет машинное доение коров.
Эффективность работы доильных машин и технологии доения в целом в значительной степени определяется постоянством вакуумного режима в техноло гических линиях доильных установок. Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что даже незначительное отклонение пара метров вакуумного режима доильной установки приводит к росту числа заболе ваний коров маститом, вызывает снижение их продуктивности и качества молока.
В качестве источника вакуума в современных доильных установках исполь зуются вакуумные насосы различных типов. Их рабочие параметры и, в первую очередь, подача определяют стабильность и величину рабочего разрежения в до ильных машинах. При неполной загрузке вакуум-силовой установки, когда одно временно доят не 6, а 2 или 4 коровы, существующие насосы работают на полную мощность, а через вакуум-регулятор в систему поступает атмосферный воздух.
Исходя из этого, представляет актуальность разработка и обоснование кон структивно-технологической схемы вакуум-силовой установки с изменяющейся подачей насоса, в соответствии с требуемым расходом воздуха при доении, за счет изменения частоты вращения ротора насоса.
Цель работы. Разработка энергосберегающей конструктивно технологической схемы вакуум-силовой установки для машинного доения коров за счет обоснования режимов и оптимизации ее параметров.
Объект исследования – Вакуум-силовая установка с вакуум-проводом.
Предмет исследования – процесс работы вакуум-силовой установки при введении в его состав электродвигателя с регулируемой частотой вращения рото ра и изменении конструктивных параметров вакуум-провода.
Методика исследования. В работе использованы аналитический и экспери ментальный методы.
Аналитический метод включал изучение технологического процесса с при менением методов теоретической механики, термодинамики, электропривода, гидравлики, системы программных средств ПК.
В экспериментальных исследованиях использовались методы физического моделирования для проверки теоретических положений и выводов.
Результаты исследований обрабатывались с применением известных мето дов математического анализа с использованием программных средств ПК.
Научная новизна. На основании аналитических и экспериментальных ис следований получены расчетные зависимости для определения объемной подачи и требуемой мощности вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вра щения ротора.
Практическую ценность представляют:
- Математическая модель работы вакуум-силовой установки с регулируемым вращением ротора.
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обосно ванию конструктивно-технологической схемы.
- Результаты энергетической и экономической оценки исследуемой вакуум силовой установки.
Снижение энергозатрат вакуум-силовой установки целесообразно осуществ лять изменением их конструктивной схемы за счет введения электродвигателя с изменяемой частотой вращения ротора. Насосы с регулируемой частотой враще ния ротора имеют меньшее потребление электроэнергии за счет адаптации его расхода к реальным потребностям доильной установки, обусловленным количе ством доильных аппаратов, находящихся в работе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доло жены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ (Санкт-Петербург 2004 2008).
Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 6 печатных изданиях, одна из которых в издании, рекомендован ном ВАК.
Объем диссертации. Диссертация изложена на 152 страницах машинопис ного текста, включая список литературы из 110 наименований (в том числе 4 на иностранных языках), содержит 21 таблицу, 51 рисунок, 4 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложена научная новизна, практическая ценность работы, выносимые на защиту основные положения и ре зультаты исследований.
В первой главе «Состояние вопроса» представлен краткий анализ значения вакуум-силовых установок в реализации процесса доения, рассмотрено влияние вакуумного режима доильных установок на основные показатели машинного до ения, представлен обзор существующих вакуумных насосов и разработана их классификация, проведен анализ применяемых способов и средств стабилизации вакуумного режима в доильной установке, ставятся цели и задачи исследования.
Исследованию рабочего процесса вакуумных насосов посвящены работы Мжельского Н.И., Карташова Л.П., Мельникова С.В., Вагина Б.И., Велитока И.Г., Краснова И.Н., Богдана И.Д., Балкового И.И., Мутовина В.И., Шаньгинова А.С., Семенова Ю.П., Сидоренко П.В., Хлумского В.П., Оберемченко А.И., Рыбалко А.И., Квашенникова В.И., Стукалина Ф.Г., Похваленского В.П., Салманиса А.Я., Козлова В.Т., Гукова А.П. и других.
В качестве источника вакуума в современных доильных установках исполь зуются вакуумные насосы различных типов. Их рабочие параметры и, в первую очередь, подача определяет стабильность и величину рабочего разрежения в до ильных машинах. В результате анализа методов и технических средств создания разрежения установлено, что для обеспечения заданных параметров вакуумного режима доильных установок целесообразно использовать ротационные пластин чатые вакуумные насосы с эксцентричным расположением ротора. Отличаясь бо лее равномерной работой, простотой конструкции и технического обслуживания, эти насосы имеют ряд существующих недостатков, среди которых большинство исследователей отмечает их невысокую удельную подачу и значительные затра ты энергии на привод и трение пластин о корпус.
Попытки увеличения удельной подачи ротационных пластинчатых вакуум ных насосов имели место, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако они бы ли связаны с увеличением размера ротора, количества пластин в нем и частоты вращения. Все это при некотором улучшении характеристик насоса все больше увеличивает потребную мощность привода.
Опыт применения в доильных установках нескольких последовательно со единенных насосов показывает, что это обеспечивает стабильность величины ва куума, но их суммарная подача заметно снижена, а общая мощность привода до статочно высока. Проведенный анализ схем работы ротационных пластинчатых вакуумных насосов показал возможность существенного улучшения показателей функционирования насоса применением в его конструкции электродвигателя с регулируемой частотой вращения ротора.
В конце главы на основе поставленной цели сформулированы задачи иссле дований:
– на основе анализа результатов проведенных ранее исследований, патентов и литературных источников определить основное направление совершенствова ния технологий и технических средств для создания вакуумного режима;
– на основе анализа факторов, характеризующих процесс машинного доения, получить математические модели зависимостей основных факторов исследуемой вакуумной установки с регулируемой частотой вращения ротора;
– разработать функциональную и наиболее рациональную конструктивно технологическую схему вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вращения ротора, отвечающую зоотехническим требованиям;
– теоретически обосновать выбор принципиальной схемы вакуум-силовой установки и ее конструктивно-режимных параметров;
– разработать методику исследований и провести экспериментальные иссле дования для определения оптимальных конструктивных параметров и режимов работы вакуум-силовой установки;
– на основе обработки результатов экспериментального исследования полу чить математические зависимости влияния основных факторов исследуемой ва куумной установки с регулируемой частотой вращения ротора на его производи тельность и энергоемкость;
– разработать программное обеспечение и практические рекомендации для использования усовершенствованной вакуум-силовой установки в производ ственных условиях;
-оценить экономическую эффективность усовершенствованной вакуум силовой установки.
Во второй главе «Теоретические исследования ротационного пластинчатого вакуумного насоса с регулируемой частотой вращения ротора» обоснованы до пущения, положенные в основу исследования.
Поточный процесс доения коров состоит из ряда последователь ных операций, большая часть ко торых осуществляется доильным аппаратом.
Поэтому время доения коровы, состоит из двух слагаемых: вре мени автоматической работы ап парата и времени работы опера тора машинного доения по об служиванию данного аппарата.
От общего времени доения при мерно 90% составляет время вы даивания коровы аппаратом.
Отношение величин t и r харак теризует интенсивность или, что одно и то же, плотность потока, определяемую числом одновре менно доящихся коров.
При неполной загрузке вакуум силовой установки, когда одно Рисунок 1 График развития и сокращения временно доят не 6, а 2 или 4 ко потока доения коров ровы, существующий сегодня Т – время доения всех коров;
t – время дое- насос работает на полную мощ ния одной коровы;
r – шаг (ритм) потока ность, а через вакуум-регулятор в систему поступает атмосферный воздух. Такой режим является нерациональным с точки зрения энергопотребления.
По результатам хронометрических измерений сделанных Квашенниковым В.И. 66 % времени доения коров работают одновременно только 4 доильных ап парата, 30% -2 доильных аппарата. И только 4% времени работают 6 доильных аппаратов.
Получается, что привод насоса всегда (100% времени) работает на полную мощность, а доильные аппараты требуют полной мощности только 4% времени.
Для обеспечения регулирования скорости вращения ротора вакуум-насоса целесообразно использовать преобразователь частоты, создав замкнутую систему автоматического регулирования (см. рисунок 2), для этого необходимо выпол нить следующие операции:
1. Встроить в вакуумпровод датчик давления.
2. Создать обратную связь: датчик давления - преобразователь частоты. В каче стве согласующего звена может быть использован операционный усилитель.
В результате проведенных исследований режимов работы вакуум-насоса до ильной установки АДМ-8А стало очевидно, что создание замкнутой системы ча стотного регулирования скорости двигателя для изменения подачи вакуум-насоса наиболее целесообразно при доении коров шестью доильными аппаратами.
Вакуум провод Датчик дав ления Питающая сеть Задатчик давления Операционный Преобразователь частоты усилитель Вакуум-насос М Рисунок 2 Функциональная схема замкнутой системы электропривода вакуум насоса Рабочий процесс создания разряжения в таких насосах основан на измене нии объема ячеек при вращательном движении ротора с пластинами, располо женного эксцентрично внутри корпуса.
Мощность на валу насоса будет:
N N теор N тр, где (1) N теор h D L. (2) где Nтеор – теоретическая индикаторная мощность, кВт;
Nтр – потребная мощ ность на валу насоса, кВт.
Требуемая мощность на валу насоса N тр N1 N 2 N 3 ( N 4 илиN 5 ), (3) где N1 – мощность, потребная на преодоление сил трения пластин в пазах ротора, кВт;
N2 – мощность, потребная на преодоление сил трения пластин о внут реннюю поверхность цилиндра, кВт;
N3 – мощность, потребная на преодоле ние сил трения цапф ротора в подшипниках, кВт;
N4 – мощность, потребная на преодоление сил трения пластин о боковые крышки насоса, возможна вследствие неудовлетворительного монтажа насоса, кВт;
N5 – мощность, по требная на преодоление сил трения ротора о боковые крышки насоса в слу чае перегрева насоса и малого теплового зазора, кВт.
Значения Мощности N4 и N5 зависят от многих факторов, например от каче ства изготовления деталей, выполнения монтажных работ и теплового зазора.
Мощность, необходимая на преодоление сил трения пластин в пазах ротора, 2 z 0, F F Vп / р d Vп / р d ;
N1 1 (4) 2 1 0 Мощность, требуемая на преодоление сил трения кромок пластин о внут реннюю поверхность цилиндра 2 z 2 0, F F2 V0 d V0 d ;
N2 (5) 2 0 Мощность, требуемая на преодоление сил трения цапф ротора в подшипни ках, dЦ N 3 T0 4 ;
(6) где 4–коэффициент трения в подшипниках качения, 4 = 0,005...0,008;
dц – диа метр цапфы, м;
Т0 – равнодействующая сил, действующих на цапфы ротора и воспринимаемых опорами, Н.
Силы, направленные вдоль пластины:
1. Сила трения пластины о паз ротора Fтр1= 1 F1 направлена по пазу ротора от центра и приложена в точке С;
2. Сила F2 – реакция связи в точке Д направлена от центра вдоль радиуса ротора;
3. Сила R1 – от веса пластин ( R1 mg cos ) направлена к центру ротора;
4. Сила R4 – равнодействую щая сила инерции R4 mWc Wп / р.
Силы, перпендикулярные к пластине:
Рисунок 3 Силы, действующие на пластину. 1. Сила F1 – реакция связи в Движение замедленное. точке С;
2. Сила R3 – от веса пластины ( R3 mg sin );
3. Сила Q1 – равнодействующая сил инерции ( Q1 mWк );
4. Сила R2 – равнодействующая сил трения конца пластины о цилиндр RТ 2 F2 cos ;
R2 2 F2 cos 2 ;
5. Сила R5 – равнодействующая сил инерции ( R5 m W ) Если движение ротора равнозамедленное (вектор угловой скорости и угло вого ускорения направлены в разные стороны), то направление силы R5 совпада ет с положительным направлением оси У.
Если движение ротора равноускоренное (вектор угловой скорости совпадает с вектором углового ускорения), то направление силы R5 противоположно поло жительному направлению оси.
6. Сила Q2 – от перепада давления в ячейках ( Q2 Lap ).
R 1 cos sin, где – текущий радиус произ вольного положения, тогда радиус вращения центра тяже сти пластины будет b с, где b – ширина пластины, м;
с – радиус вращения центра тяжести пластины.
Тогда скорость пластины от носительно ротора (радиаль ная) d e sin 1 cos, Vп / р dt где – угловая скорость ро тора, с-1.
Рисунок 4 Схема к определению пути, скорости Окружная скорость пластины и ускорения пластины в случае, если движение Vo.
ускоренное Полная скорость пластины в точке Д Vo V V.
cos sin 1 где – угол между V и V1.
Центростремительное (нормальное) ускорение в точке С Wc c 2.
Тангенциальное ускорение пластины W где – угловое ускорение ротора, с- Ускорение пластины относительно ротора d 2 e 2 cos cos 2.
Wп / р dt Поскольку пластина совершает сложное движение и переносное движение является вращательным возникает поперечное ускорение (ускорение Кориолиса).
Wk 2Vп / р.
Формулу нахождения мощности четырехлопастного пластинчатого вакуум ного насоса в зависимости от количества доильных аппаратов можно представить в следующем виде:
Qh N, (7) 0,9 M где Q – подача насоса, м3/с;
м – монометрический коэффициент рассчитывается по формуле Pa h м, Pa где Ра – атмосферное давление;
h – величина разрежения в системе, h =53 кПа;
– кпд установки, = 0,75-0,85.
QT z a q уд k з, (8) где kз – коэффициент запаса насоса kз = 2,5…3;
qуд – удельный расход воздуха, при доении в молокопровод qуд = 3.4 м3/ч;
Zа – количество доильных аппара тов.
z a q уд k з h N, (9) 0,9 м Зависимость мощности от диаметра вакуумпровода можно получить QH N уст, (10) н. уст где – кпд насоса;
– удельный вес воздуха, =12 Н/м3;
Н – теоретический напор насоса, м.
H H г hТ hнас, (11) где Нг=1,6 м;
hнас=0,4 м.
2 2 lV lV lм V м hT п1 п1 + п 2 п 2 +. (12) d п1 2 g d п2 2g d м 2g где – коэффициент гидравлического трения (для воздуха =0,00005);
lп1– длина вакуумпровода, lп1=150 м;
lп2 – длина вакуумпровода lп2=33 м;
Lм – длина мо локопровода Lм =150 м;
Vп1– скорость движения воздуха в вакуумпроводе 1, м/с;
Vп2 – скорость движения воздуха в вакуумпроводе 2, м/с;
Vм – скорость движения воздуха в молокопроводе, м/с;
dп1– диаметр вакуумпровода dп1=0,025 м;
dп2 – диаметр вакуумпровода dп2=0,045 м;
dм – диаметр молоко провода dм =0,045 м Полученные зависимости позволяют оценить степень влияния основных факторов насоса на его потребляемую мощность В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований»
разработана программа исследований, даны методики исследований, описано оборудование и условия проведения эксперимента.
Для проведения экспериментальных исследований на кафедре МПППЖ СПбГАУ и в мастерских СПбГАУ была изготовлена установка.
Опыты проводились на установке типа АДМ-8А. Она включает в себя ваку умную установку УВУ-60/45 (которая предназначена для создания разрежения (Р=48-53 кПа) и поддержания его на заданной величине). В комплект которой входит: быстроходный, пластинчатый вакуумный насос марки УВД 10.000, про изводительностью 60 м3/час;
асинхронный короткозамкнутый двигатель марки 4АМ100L4У3 мощностью 4 кВт с фиксированной частотой вращения выходного вала 1430 мин-1, вакуум-провод, вакуум-баллон, вакуумметр, молокопровод, ап параты искусственного вымени, подключенной к центральной водной магистра ли, доильные аппараты и приборное обеспечение.
Вакуумный насос имел сменные шкивы. При их перестановке частота вра щения ротора насоса изменялась в пределах от 500 до 1500 мин-1, что обеспечи вало различную подачу.
Экспериментальная вакуумная установка имела сменные трубы вакуум провода диаметром 25;
30 и 35 мм, которые были поочередно установлены между вакуумным насосом и вакуумным баллоном при помощи соединительных па трубков. При их перестановке менялась объемная подача насоса, и изменялось, соответственно, мощность установки.
В экспериментальной вакуумной системе было установлено 6 вакуумных кранов для подсоединения доильных аппаратов.
Подачу ротационного вакуумного насоса измеряли с помощью индикатора производительности вакуумных насосов КИ-4840М. Относительная погрешность прибора 4%.
Частоту вращения ротора регулировали набором шкивов различного диа метра и замеряли тахометром инерционного типа.
Разряжение в вакуумной магистрали измеряли с помощью вакуумметра.
В качестве ревизионного вакуумметра и регулятора расхода воздуха служил индикатор производительности вакуумных насосов КИ-4840М с вакуумметром ОБВ – 1-100 ГОСТ 2405-72. Регулировка разрежения производилась поворотом регулировочного барабана индикатора производительности КИ-4840М.
Рисунок 5 Структурная схема экспериментальной установки 1 – трехфазный электроизмерительный комплект К-50;
2 – асинхронный коротко замкнутый двигатель марки 4АМ100L4У3;
3 – глушитель;
4 – насос вакуумный УВД 10.000А;
5 – тахометр механический ТМ1-ПУЗ;
6 – индикатор производи тельности КИ-4840М;
7 – вакуум-баллон;
8 – вакуумметр;
9 – соединительный патрубок;
10 – вакуумная труба;
11 – вакуумный кран.
Потребляемую насосом мощность измеряли трехфазным электроизмери тельным комплектом К-50. На одной панели в общем корпусе смонтированы приборы - амперметр, вольтметр и однофазный ваттметр со встроенным транс форматором тока до 50 А, указатель фаз, переключатели и зажимы для подклю чения.
Рисунок 6 Общий вид экспериментальной установки 1 – асинхронный короткозамкнутый двигатель марки 4АМ100L4У3;
2 – насос вакуумный УВД 10.000А;
3 – индикатор производительности КИ-4840М;
4 – вакуум-баллон;
5 – вакуумметр, 6 – трехфазный электроизмерительный комплект К-50;
7 – вакуумный кран;
8 – вакуумная труба Время прохождения процесса измеряли секундомером. Для смены труб ис пользовался стандартный набор слесарного инструмента.
Так же на кафедре электрических машин и электропривода была исследова на работа аналогичного насоса. В процессе опытов частота вращения вала ротора насоса изменялась с помощью частотного преобразователя MOVITRAC 31 C 022 503-4-00.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их ана лиз» изложены результаты проведенных в соответствии с намеченной програм мой экспериментальных исследований и дан их анализ.
С помощью теоретического анализа N, кВт y = -1E-07x + 0,0018x + 0, и поисковых экспериментов были 3 R = 0, определены наиболее значимые 2, факторы, влияющие на мощность y = 0,0016x - 0, 2 установки. С целью выявления вли R = яния частоты вращения ротора (n) 1, на мощность вакуумной установки был выполнен однофакторный экс 0, перимент. По результатам экспери мента, которые были подвергнуты 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 - n, мин дисперсионному и регрессионному Рисунок 7 Влияние частоты вращения ротора анализу, построен график рисунок 7, анализ которого показывает хо насоса на мощность вакуумной установки рошую сходимость теоретических ------------ – теоретическая;
предпосылок и результатов экспе – экспериментальная римента.
Коэффициент детерминации R2 близок к 1,0, что указывает на заметное вли яние изучаемого фактора.
В ходе экспериментальных N, кВт y = 0,0088x + 0,2925x + 0, исследований установлено 3 R = 0, влияние числа доильных ап 2, парата (z) на мощность ва куумной установки. По ре 1, зультатам эксперимента, ко торые были подвергнуты 0, дисперсионному и регрес сионному анализу, построен 2 y = 0,3343x - 0,0003 4 график рисунок 8, анализ голов R =1 z, которого показывает хоро Рисунок 8 Влияние числа доильных аппаратов на шую сходимость теоретиче мощность вакуумной установки ских предпосылок и резуль --------------- – теоретическая;
татов эксперимента.
– экспериментальная С целью выявления влияния N, кВт диаметра вакуумной трубы 6 y = 31000x - 2201x + 40, (d) на мощность вакуумной R = 0, установки был выполнен од y = 32860x - 2321,5x + 42, 4 R = нофакторный эксперимент.
Ряд По результатам эксперимен та, которые были подвергну 2 Ряд ты дисперсионному и регрес Полиномиальный сионному анализу, построен (Ряд1) график рисунок 9, анализ ко 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Полиномиальный d, м (Ряд2) торого показывает хорошую сходимость теоретических Рисунок 9 Влияние диаметра вакуумпровода на предпосылок и результатов требуемую мощность вакуумной установки эксперимента.
Коэффициент детерминации R близок к 1,0, что указывает на заметное вли яние и зучаемого фактора.
В ходе многофакторного регрессионного анализа по определению влияния исследуемых факторов на мощность насоса были получены следующие матема тические модели в кодированном виде.
Y 1,34444 0,316667 X 1 0,383333 X 2 0,05 X 1 X 2 0,0166667 X 12 0,18333 X 2, где Х1 и Х2 – соответственно n и z.
Y 2,21111 0,3 X 1 0,5 X 3 0,25 X 1 X 3 0,06666667 X 12 0,0333333 X 3, где Х1 и Х3 – соответственно n и d.
Y 1,71111 0,366667 X 2 0,583333 X 3 0,1X 1 X 3 0,133333 X 2 0,383333 X 3, 2 где Х2 и Х3 – соответственно z и d.
Дисперсионный анализ уравнений регрессии позволил сделать вывод о том, что все модели значимы. Адекватность проверяли по критериям Фишера.
По полученным математическим зависимостям были построены трехмерные поверхности отклика (см. рисунки 10, 11, 12) Результаты однофакторных экспериментов позволили выявить значимые факторы, влияющие на работу вакуумной установки, необходимые для второго этапа исследования. В качестве наиболее значимых следует отметить такие фак торы, как частота вращения ротора насоса вакуумной установки, число одновре менно работающих доильных аппаратов и диаметр вакуумпровода.
При частоте вращения ротора 500 мин-1 требуемая мощность будет равна кВт, при частоте вращения 1000 мин-1 – 1,7 кВт и при частоте вращения ротора 1500 мин-1 – 2,5 кВт. Также было установлено, что при работе оператора с двумя доильными аппаратами требуемая мощность будет равна 0,9 кВт, при работе с аппаратами -1,6 кВт и при работе с шестью аппаратами потребуется 2,4 кВт. При оценке влияния диаметра вакуумной трубы было установлено, что при суще ствующем диаметре вакуумной трубы 0,025 м, требуемая мощность будет 4, кВт, при диаметре трубы 0,03 м требуемая мощность будет 2,5 кВт, а при диа метре 0,035-1,8 кВт.
Рисунок 10 Зависимость мощности ва- Рисунок 11 Зависимость мощности куумной установки от частоты враще- вакуумной установки от частоты вра ния ротора двигателя n и числа доиль- щения ротора двигателя n и диаметра ных аппаратов z вакуумпровода d Рисунок 12 Зависимость мощно сти вакуумной установки от ко личества доильных аппаратов z и диаметра вакуумпровода d Оптимизация исследуемого про цесса в значительной степени повлияла на энергетическую ха рактеристику электропривода, что позволило снизить энергопо требление в среднем в 2,5 раза в сравнении с серийным образцом.
В пятой главе «Оценка эффективности результатов исследования» приведе ны результаты расчета экономической эффективности.
За базу для технико-экономического сравнения была принята вакуумная установка УВУ60/45, обслуживающая 100 коров.
Мы вносим изменения в вакуум-силовую установку, состоящую из пластин чатого вакуумного насоса и электродвигателя, добавляя частотный преобразова тель MOVITRAC и убираем вакуум-регулятор.
Оптимизация конструктивных и технико-технологических параметров рас смотренных выше позволила снизить потребляемую мощность привода в 2 раза.
Таблица 1 Результаты расчета экономической эффективности Значения расчетных показа телей Расчетные показатели Базового Нового Оплата труда обслуживающего персонала, руб. 89310 Затраты на электроэнергию, руб. 19500 7312, Амортизационные отчисления на вакуумную 4522,06 4522, установку, руб.
Затраты на ремонт и ТО, руб. 5059,65 5059, Прямые эксплуатационные затраты, руб. 119854,21 107666, Приведенные затраты, руб. 134084,49 127507, Планируемая годовая экономия, руб. - 12187, Годовой экономический эффект, руб. - 6576, Срок окупаемости установки, год - 1, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Необходимость совершенствования вакуумных машин доильных ус тановок определяется экономическими предпосылками. Приведенный анализ су ществующих конструкций и классификация вакуумных насосов, свидетель ствуют о большом их разнообразии и широком диапазоне реализуемых ими ре жимов, но все они имеют ряд существенных недостатков. Однако общим их не достатком является невозможность изменения подачи насоса при изменении ко личества аппаратов, работающих одновременно.
2. При большом разнообразии конструктивно-технологических схем ваку умных установок наиболее перспективными и распространенными при машин ном доении коров являются установки на базе ротационных вакуумных насосов.
В результате анализа технических средств создания разрежения установлено, что для обеспечения заданных параметров вакуумного режима доильных установок целесообразно использовать ротационные пластинчатые вакуумные насосы, а для снижения энергозатрат на привод, использовать принцип уменьшения подачи, за счет снижения частоты вращения ротора насоса. В качестве варианта может быть предложен двигатель с частотным преобразователем.
3. Требуемая мощность при работе оператора с двумя доильными аппарата ми будет равна 0,9 кВт, при работе с 4 аппаратами -1,6 кВт и при работе с шестью аппаратами потребуется 2,4 кВт, в то время как серийная установка работает на мощности 4 кВт. Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима и снижения энергозатрат на привод существует потребность в создании и разра ботке конструктивной схемы вакуумной установки адаптированной к условиям работы.
4. Согласно полученным аналитическим зависимостям (1), (2), (3), (8), (9), (10), (11),(12) мощность, а, следовательно, и энергопотребление ротационного пластинчатого вакуумного насоса с регулируемой частоты вращения ротора в наибольшей степени зависит от частоты вращения ротора, количества доильных аппаратов и диаметра вакуум-провода.
5. Снижение энергозатрат в вакуум-силовой установке целесообразно осу ществлять изменением е конструктивной схемы за счет введения частотного преобразователя в схему питания асинхронного электродвигателя. Насосы с ре гулируемой частотой вращения ротора имеют меньшее потребление электроэнер гии за счет адаптации его расхода к реальным потребностям доильной установки, обусловленным количеством доильных аппаратов, находящихся в работе. При работе оператора с двумя доильными аппаратами необходимая частота вращения ротора будет 450 мин-1(47 с-1), 4 доильными аппаратами-850 мин-1(89 с-1), 6 до ильными аппаратами – 1230 мин-1 (129 с-1), вместо существующей сейчас частоты вращения 1430мин-1 (150 с-1).
6. Результаты предварительного эксперимента позволили выявить значимые факторы, влияющие на работу вакуумного насоса. К ним можно отнести частоту вращения ротора, количество доильных аппаратов и диаметр вакуумпровода.
7. В результате экспериментальных исследований получены математические модели, которые могут быть использованы для создания вакуум-силовой уста новки с регулируемой частотой вращения ротора. При работе 2 доильных аппара тов подача насоса сократится в 3 раза. При работе 2 доильных аппаратов подача насоса будет составлять 0,005 м3/с, а 4-х аппаратов 0,01 м3/с, вместо существую щей сейчас подачи 0,016 м3/с.. При увеличении диаметра вакуум-провода в 1, раза мы получаем уменьшение мощности, потребляемой вакуумной установкой.
При этом требуемая мощность будет- при диаметре 0,03м- 2,5 кВт, а при диамет ре 0,035- 1,7 кВт соответственно.
8. Годовой экономический эффект от использования предлагаемой вакуум ной установки составит 7878,49 рублей для поголовья в 100 коров.
Оптимизация технологических и конструктивных параметров исследуемой установки позволит снизить энергетические затраты в 2 раза в сравнении с се рийной установкой и получить годовую экономию по прямым эксплуатационным затратам в размере 8996,92 рублей в расчете на одну вакуумную установку.
Положения диссертации опубликованы в 6 работах.
Статья в издании, рекомендуемом перечнем ВАК РФ:
1. Соляник С.С.Вакуумный режим доильных установок // Механизация и элек трификация сельского хозяйства.-2007.№5.-С.15-16.
Статьи:
2. Соминич А.В., Соляник С.С. Обоснование режимов работы и параметров пла стинчатых насосов для доильных установок // Совершенствование методов стро ительства сооружений агропромышленного комплекса: Сборник научных трудов.
СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004.- С. 25-32.
3. Соминич А.В., Соляник С.С. Вакуумный режим существующих доильных установок и влияние его на показатели машинного доения коров // Совершен ствование методов строительства сооружений агропромышленного комплекса:
Сборник научных трудов. СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2005.- С. 3-8.
4. Соляник С.С. Обзор работ по исследованию вакуумных насосов // Совершен ствование методов строительства сооружений агропромышленного комплекса:
Сборник научных трудов. СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2006.-С. 122-130.
5. Соминич А.В., Соляник С.С. Анализ применяемых способов и средств стаби лизации вакуумного режима в доильной установке // Совершенствование методов строительства сооружений агропромышленного комплекса: Сборник научных трудов. СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2007.-С. 3-7.
6. Соляник С.С. Оценка энергозатрат на привод ротора насоса с регулируемой частотой вращения // Совершенствование методов строительства сооружений аг ропромышленного комплекса: Сборник научных трудов. СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2008.-С. 3-7.
Подписано в печать 21.05. Бумага офсетная. Формат 60/90 1/ Печать трафаретная. 1,0 усл. печ. л.
Тираж 100 экз.
Заказ № 09/05/ Отпечатано с оригинал-макета заказчика в НП «Институт техники и технологий»
Санкт-Петербург – Пушкин, Академический пр., д.31, ауд.