Обоснование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя
На правах рукописи
ГРИНЧЕНКО ВИТАЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ЭЛЕКТРОПУЛЬСАТОРОМ
НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Специальности: 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства (по техническим наук
ам)
05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставрополь – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Никитенко Геннадий Владимирович
Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Капустин Иван Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович Ведущее предприятие: Государственное научное учреждение Северо-Кавказкий научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии)
Защита состоится 1 декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании объединенно го диссертационного совета ДМ 220.062.05 при ФГБОУ ВПО «Ставрополь ский государственный аграрный университет», по адресу: 355017, г. Став рополь, пер. Зоотехнический, 12, в зале заседания диссертационного сове та, ауд. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ставро польский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан «» _ 2011 г. и размещен на официальном сайте www.stgau.ru и на сайте Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru «» _ 2011 г.
Ученый секретарь объединенного диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В. И. Марченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Согласно Концепции социально-экономического раз вития РФ к 2020 году планируется увеличить производство молока на 27 %. Од нако применение доильных аппаратов с существующим режимом работы снижа ет продуктивность коров, вызывает обратный ток молока, появление трещин и гиперемические явления в тканях вымени. Перечисленные осложнения провоци руют возникновение стрессов у коров и приводят к маститным заболеваниям. Это происходит из-за непродолжительности переходных процессов от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов. Таким образом, доиль ные аппараты не в полной мере соответствуют физиологическим особенностям процесса молокоотдачи, что делает актуальным дальнейшее усовершенствование принципа работы доильного аппарата и конструкции его исполнительных орга нов. Наиболее перспективным направлением усовершенствования доильного ап парата является увеличение длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов. Это позволит умень шить негативное влияние доильного аппарата на организм животных, повысить их продуктивность и снизить выбраковку заболевших коров.
Целью исследования является увеличение продуктивности коров путем соз дания режима машинного доения, соответствующего физиологическим особен ностям процесса молокоотдачи, за счет обоснования конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с электропульсатором на основе регулируемого линейного электропривода.
Объектом исследования является технология машинного доения коров при использовании доильного аппарата с линейным электроприводом клапанного ме ханизма электропульсатора.
Предмет исследования: закономерности функционирования пульсатора с линейным электроприводом.
Методика исследования включает анализ технологии машинного доения и выявление направлений усовершенствования принципа работы доильных аппа ратов, методы физического и математического моделирования, исследования опе раций и математической обработки результатов экспериментов, оценку адекват ности и достоверности полученных данных, определение экономической эффек тивности внедрения предлагаемой разработки.
Положения, выносимые на защиту:
– режим машинного доения и конструкция усовершенствованного доильно го аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя, позво ляющего регулировать длительность переходного процесса от такта соса ния к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов;
– методика расчета параметров клапанного механизма и диаметра атмос ферного канала электропульсатора с управляемой длительностью пере ходных процессов;
– закономерности изменения длительности переходных процессов в меж стенных камерах доильных стаканов при их регулировании разработан ным электропульсатором;
– результаты расчета магнитной системы и силы на якоре линейного двига теля электропульсатора усовершенствованного доильного аппарата;
– математическая зависимость длительности переключения якоря линейно го двигателя.
Научная новизна работы:
– конструктивно-режимные параметры доильного аппарата с регулировани ем длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов;
– конструкция электропульсатора на основе линейного двигателя, позволя ющего регулировать длительность переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов;
– функциональные зависимости между диаметром атмосферного канала электропульсатора и конфигурацией клапанного механизма, длительно стью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов и перемещением конусного клапана электро пульсатора, а также создаваемой силой на якоре линейного двигателя от геометрических размеров его магнитной системы;
– математическая зависимость на основе уравнения баланса напряжений для одновременной работы двух намагничивающих катушек линейного двигателя, позволяющая определить длительность переключения якоря в момент перехода от такта сосания к такту сжатия.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты ис следования позволяют усовершенствовать процесс машинного доения коров пу тем разработки доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя новой конструкции (патент РФ на изобретение № 2370874) для приво да клапанного механизма с управляемой динамикой перемещения якоря (патен ты РФ на полезную модель № 79236, 95222, положительное решение о выдаче па тента на изобретение по заявке № 2010126114). А также могут быть использова ны в проектных организациях при реконструкции ферм по производству молока, в конструкторских бюро, занимающихся разработкой и проектированием доиль ного оборудования, в научно-исследовательских и учебных учреждениях.
Результаты исследований внедрены в СПК «Московский» Изобильненско го района Ставропольского края при реконструкции молочно-товарной фермы на 200 коров. Проведены НИОКР по теме «Разработка электропульсатора доильно го аппарата» в соответствии с государственным контрактом с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 7355р/ от 29 декабря 2009 года и № 8715р/13144 от 14 января 2011 г.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на IV и V Российских научно-практических конференциях «Физико-технические пробле мы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2007 и 2009 гг.), на 72-й, 73-й, 74-й научно-практических конференциях «Уни верситетская наука – региону» (Ставрополь, 2008–2010 гг.), на «Круглом столе»
по теме «Сотрудничество в области продвижения технологических и инноваци онных ресурсов Ставропольского края на предприятиях Новгородской области»
в составе официальной делегации Ставропольского края (Великий Новгород, 2009 г.), на Всероссийском смотре-конкурсе на лучшую научную работу среди студентов и молодых ученых аграрных вузов России в Азово-Черноморской ГАА (Зерноград, 2009 г.), на конференции, проводимой Российским государственным университетом инновационных технологий и предпринимательства (Москва, 2009 г.), на научно-практических конференциях Кубанского ГАУ (Краснодар, 2010 г.) и Азово-Черноморской ГАА (Зерноград, 2011 г.). Разработка демонстри ровалась на выставках: IX и X «Московский международный салон инноваций и инвестиций» (Москва, 2009 и 2010 гг.), «Инновации года» (Ставрополь, 2009 г.), «Карьера 26» (Ставрополь, 2010 г.). Результаты исследований отмечены дипло мом конкурса «Русские инновации» (Москва, 2009 г.), почетной грамотой за побе ду в V Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва, 2009 г.), серебряной медалью X Московского меж дународного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2010 г.), дипломом побе дителя Всероссийского конкурса инновационных идей научной молодежи (Мо сква, 2011 г.).
Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, из них 3 в журналах из перечня ВАК, 2 патента на изобретения и 2 патента на полезные модели.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, об щих выводов и предложений, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 168 страницах печатного текста. Содержит 55 рисунков и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, объект и предмет исследований. Представлены положения, выносимые на защиту, описа на научная новизна работы.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» описаны техноло гии машинного доения и физиологические особенности процесса молокоотдачи у коров. Дан обзор исследований длительности переходных процессов в межстен ных камерах доильных стаканов и основных направлений совершенствования до ильных аппаратов с варьированием продолжительности переходных процессов, проанализированы конструкции пульсаторов доильных аппаратов и приведена их классификация. Этим вопросам посвящены работы ряда ученых: И. Н. Красно ва, В. Ф. Королева, Л. П. Карташова, И. К. Винникова, Ю. А. Цоя, И. Г. Велитока, Г. В. Никитенко, И. В. Капустина, Е. А. Андрианова, Е. В. Шевцовой, Е. И. Адми на, М. Л. Гордиевских, С. В. Мельникова, А. Г. Тараненко и др.
В результате проведенного обзора существующих технологий машинного дое ния выявлено, что в них используются доильные аппараты с идентичным принци пом работы и воздействием на организм животных. От характера этого воздействия зависит эффективность процесса машинного доения и здоровье коров. Анализ ре жимов работы доильных аппаратов с варьируемой длительностью переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов дает основание утверждать, что для усовершенствования режима доения коров длительность tC переходного процесса от такта сосания к такту сжатия должна быть равна 120 мс, что в 2 раза больше, чем в существующих установках, и соответствует физиологическим осо бенностям процесса молокоотдачи у коров. Регулирование длительности tC мо жет осуществляться линейным электроприводом. Использование доильного ап парата с электропульсатором на основе линейного электропривода с указанной выше длительностью переходного процесса уменьшает неблагоприятное влия ние машинного доения на организм коров, повышает продуктивность и снижает маститные заболевания у коров.
Предшествующие исследования по воздействию доильного аппарата на орга низм животных позволяют сформулировать научную гипотезу о том, что регу лирование длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов позволит создать наиболее оптималь ный режим доения.
В качестве рабочей гипотезы принято предположение о возможности управ ления длительностью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стаканов при помощи клапанного механизма, привод которого осуществляется линейным двигателем с управляемой динами кой перемещения якоря.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить режим доения, которым должен обладать доильный аппарат, от вечающий биологическим требованиям и физиологическим особенностям молокоотдачи.
2. Разработать конструкцию доильного аппарата с электропульсатором, обеспечивающим регулирование длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия в межстенных камерах доильных стака нов.
3. Обосновать конструктивные параметры клапанного механизма и опреде лить диаметр атмосферного канала электропульсатора, выполненного на основе линейного двигателя, значения которых соответствуют производи тельности серийных вакуумных насосов.
4. Установить закономерности изменения длительности процессов наполне ния межстенных камер доильных стаканов атмосферным воздухом с элек тропульсатором новой конструкции.
5. Разработать линейный двигатель для привода клапанного механизма элек тропульсатора и обосновать параметры его магнитной системы.
6. Определить математическую зависимость длительности перемещения якоря линейного двигателя в момент времени, соответствующий переход ному процессу от такта сосания к такту сжатия.
Вторая глава «Теоретические исследования доильного аппарата с электро пульсатором на основе линейного двигателя» состоит из четырех разделов. В ней описана конструкция и процесс работы усовершенствованного доильного аппа рата, оснащенного электропульсатором с приводом от линейного двигателя. При менение линейного электропривода, соединенного с клапанным механизмом, по зволяет формировать цикл работы доильного аппарата с удлиненной переходной фазой С, соответствующей переходному процессу от такта сосания к такту сжа тия (рисунок 1). Схема и фото разработанного электропульсатора представлены на рисунке 2.
В зависимости от заданного режима доения на намагничивающие катушки и 12 подаются управляющие сигналы. Линейный двигатель позволяет управлять динамикой перемещения якоря 7, следовательно, и конусного клапана 15. Когда якорь 7 занимает крайнее верхнее положение, конусный клапан 15 перекрывает атмосферный канал 20, при этом отверстие 3 в перегородке 2 открыто, поскольку тарельчатый клапан 16 поднимается упором 17. Происходит истечение воздуха из межстенных камер доильных стаканов (рисунок 3, а).
Вакуум по патрубку 18 заполняет камеру 4 постоянного вакуума и через от верстие 3 камеру 5 переменного вакуума, затем распространяется по патруб ку 19 в межстенные камеры. При этом сосковая резина в доильных стаканах не деформируется, поскольку в подсосковых камерах также действует вакуум.
Молоко под действием разности давлений внутри вымени и под сосками стру ей вытекает в подсосковые камеры и отводится в молокоприемник. Происходит такт сосания.
Pi – давление в межстен ных камерах доильных ста канов;
Х1 – перемещение якоря линейного двигателя;
i1 и i2 – значения токов на на магничивающих катушках;
t – время одного цикла рабо ты доильного аппарата;
фаза А – переходная фаза от такта сжатия к такту сосания;
фаза B – такт сосания;
фаза С – пе реходная фаза от такта соса ния к такту сжатия;
фаза D – такт сжатия Рисунок 1 – Осциллограммы по фазам доения: а) изменения давления в межстенных камерах доильных стаканов;
б) перемещения якоря линейного двигателя с клапанным механизмом электропульсатора;
в) изменения токов на намагничивающих катушках линейного двигателя а) б) Рисунок 2 – Схема (а) и общий вид (б) электропульсатора доильного аппарата, вы полненного на основе линейного двигателя: 1 – корпус;
2 – перегородка;
3 – отвер стие;
4 – камера постоянного вакуума;
5 – камера переменного вакуума;
6 – шток;
7 – якорь;
8 – диски магнитопроводящие;
9 – прослойка немагнитная;
10 – магнито проводы;
11, 12 – катушки намагничивающие;
13 – выводы катушек;
14 – ввод ка бельный;
15 – клапан конусный;
16 – клапан тарельчатый;
17 – упор;
18 – патрубок постоянного вакуума;
19 – патрубок переменного вакуума;
20 – канал атмосферный;
21 – фильтр;
22 – крышка Когда якорь 7 начинает плавно переходить в нижнее положение, конусный клапан 15 постепенно открывает ат мосферный канал 20, упор опускается вниз, тарельчатый клапан 16 под действием ваку ума притягивается и перекры вает отверстие 3 в перегородке 2, предотвращая расход возду ха в системе (рисунок 3, б). Че рез крышку 22, фильтр 21, ат мосферный канал 20 в камеру переменного вакуума происхо дит поступление атмосферно го воздуха. Вследствие разно сти давлений в межстенных и подсосковых камерах доильных стаканов сосковая резина сжи мается, происходит переходный процесс от такта сосания к так ту сжатия. Регулированием ди намики перемещения конусного Рисунок 3 – Принцип работы электропульсатора клапана 15 при помощи линей на основе линейного двигателя: а) такт сосания;
ного двигателя создается воз б) переходный процесс от такта сосания к такту можность управлять длитель сжатия;
в) такт сжатия ностью переходного процесса.
Когда якорь 7 линейного двига теля занимает крайнее нижнее положение, атмосферный канал 20 полностью от крыт, отверстие 3 в перегородке 2 по-прежнему перекрыто тарельчатым клапаном 16 (рисунок 3, в). Камера 5 переменного вакуума, патрубок 19 и межстенные ка меры доильных стаканов заполнены воздухом атмосферного давления. Сосковая резина закрывает соски вымени от действия вакуума в подсосковых камерах до ильных стаканов. Происходит такт сжатия. Затем следует переходный процесс от такта сжатия к такту сосания, длительностью которого также возможно управлять при помощи линейного двигателя.
Обоснованы конструктивные параметры клапанного механизма электропуль сатора: диаметры отверстия DО в перегородке между камерами и DС штока, на ко тором расположен клапанный механизм электропульсатора, угол скоса конус ного клапана, толщина НК и НТ и диаметры DК и DТ клапанов, а также амплиту ды X1 и X2 их перемещения. При перемещении клапана изменяется площадь SЗ сечения зазора, через который происходит поступление атмосферного воздуха в межстенные камеры доильных стаканов, представляющая собой площадь боко вой поверхности правильного усеченного конуса (рисунок 4). Она определяет ся по формуле D D X2, (1) S D D 2 где DА и DУ – диаметры атмосферного канала электропульсатора и нижнего основания зазора, м;
XУ – высота зазора, м.
DA Xy SЗ Dy Рисунок 4 – Разрез зазора, через который происходит натекание воздуха в межстенные камеры доильных стаканов Для описания процесса наполнения межстенных камер воздухом через атмос ферный канал электропульсатора необходимо выразить в формуле (1) величины DА, DУ и XУ через перемещение X1 конусного клапана (рисунок 5), тогда 2 1 1. (2) S D D 4 23 Учитывая условие взаимосвязи диаметра атмосферного канала и перемеще ния клапанного механизма, площадь SЗ сечения зазора имеет степенную зависи мость от перемещения X1 клапана электропульсатора (рисунок 6).
S, мм 3 Q, м3/ч / 0, S =f ( 1) 0, 0, 0, 0, Q =f ( 0,1 1), мм 0,5 1,0 1,5 2, 0 1, Рисунок 5 – К выражению DА, Рисунок 6 – Зависимости площади SЗ сечения DУ и XУ через перемещение X1 зазора и QН требуемой производительности конусного клапана вакуумного насоса от перемещения X1 якоря линейного двигателя Рассмотрена пропускная способность пневмолиний доильного аппарата.
Зная проводимости UI трубопровода от насоса до вентиля, UВ вентиля, UII тру бопровода от вентиля до камеры постоянного вакуума электропульсатора и UО отверстия в перегородке между камерами постоянного и переменного вакуума, можно определить пропускную способность UА атмосферного канала электро пульсатора. Для воздуха при температуре 17 °С пропускная способность UА в м3/с равна PI 680 P D D4 D4 D2 D U ln, (3) l D где PАТМ – атмосферное давление, Па;
PI – давление в камере переменного вакуума, Па;
lА – длина атмосферного канала, м.
Из формулы (3) определяется диаметр DА атмосферного канала при полно стью открытом конусном клапане электропульсатора:
32U l ln. (4) D PI 21675 ln 4 19125 P Зависимость требуемой производительности вакуумного насоса при давлении в системе доильного аппарата 50 кПа от перемещения X1 якоря линейного двига теля приведена на рисунке 6. При DА = Х1/0,5 требуемая производительность QН вакуумного насоса доильного аппарата с электропульсатором на основе линей ного двигателя будет минимальной. Данное соотношение позволяет определить все конструктивные параметры клапанного механизма электропульсатора по раз работанной методике, а также дает основание утверждать, что использование в усовершенствованном доильном аппарате серийного вакуумного насоса НВ-12 с производительностью 10 м3/ч при давлении всасывания 50 кПа обеспечит выпол нение процесса доения.
Процесс наполнения межстенных камер доильных стаканов атмосферным воздухом приводит к сжатию сосковой резины, он происходит при переменном объеме камер, что позволяет описать его следующим уравнением, с учетом изме нения площади сечения зазора, через который происходит наполнение:
d S dVi n dt, (5) P n Vi Vi где n – показатель политропы;
Pi – отношение переменного давления Pi в межстенных камерах к ат P мосферному PАТМ;
– коэффициент расхода воздуха подводящей линии при наполнении межстенных камер;
– функция расхода воздуха, м3/с;
Vi – объем камер и трубок переменного давления доильного аппарата при давлении Pi в межстенных камерах доильных стаканов, м3;
АТМ – удельный объем воздуха при давлении РАТМ, м3/Па.
Решив его и выразив длительность tС процесса наполнения межстенных камер воздухом, который происходит во время фазы С, получим выражение 24 V V0 V. (6) tC P X 12 7,418 1,797 X Согласно выражению (6) длительность фазы С зависит не только от объема межстенных камер доильных стаканов и габаритов системы, но и от закономер ности открытия конусного клапана электропульсатора, управление которым вы полняет предложенный нами линейный двигатель.
В третьей главе «Исследование электропривода электропульсатора усо вершенствованного доильного аппарата» обоснована конструкция и режим ра боты линейного двигателя, состоящего из двух цилиндрических магнитопрово дов 10 с намагничивающими катушками 11 и 12 (рисунок 2). В осевое отверстие магнитопроводов 10 вставлен шток 6, на котором закреплен якорь 7, состоя щий из двух магнитопроводящих дисков 8 и немагнитной прослойки 9. Линей ный двигатель работает следующим образом. При включении катушки 11 про текающий в ней ток индуцирует магнитное поле, силовые линии которого за мыкаются через магнитопровод 10 и магнитопроводящую вставку 8. При этом возникает сила, перемещающая якорь 7 вверх. Усилие на якоре 7 передается че рез шток 6 клапанному механизму электропульсатора. Увеличение тока на ка тушке 11 приводит к увеличению скорости перемещения клапанного механиз ма электропульсатора. Ток, поступая на катушку 12, приводит к возникнове нию силы, опускающей якорь 7 вниз. Увеличение тока на катушке 12 нарушает равновесие между силами, клапанный механизм электропульсатора опускает ся вниз. Периодические перемещения якоря линейного двигателя формируют цикл работы доильного аппарата.
Методом конечных элементов программным комплексом Elcut были рассчи таны значения магнитной индукции B в воздушном зазоре двигателя, максималь ное из которых равно 0,1 Тл и позволяет создавать усилие F на якоре 5 Н. При этом величины токов i1 и i2 на катушках линейного двигателя изменяются от 0 до 400 мА.
Для определения длительности перемещения якоря линейного двигателя в момент фазы С использовалось уравнение баланса напряжений без учета вихре вых токов и явления гистерезиса:
(i12 R1 i2 R2 )dt i1 d 1 i2 d 2, (7) (U 1i1 U 2 i2 )dt где U1 и U2 – напряжения, подаваемые на намагничивающие катушки линейно го двигателя, В;
i1С и i2С – мгновенные значения токов, протекающие в намагничивающих ка тушках линейного двигателя, А;
t – длительность перемещения якоря, с;
R1 и R2 – активные сопротивления намагничивающих катушек, Ом;
1 и 2 – потокосцепления с витками катушек линейного двигателя, Вб.
Перейдя к конечным разностям и заменив потокосцепления, при условии, что количество витков и диаметр обмоточного провода одинаковы, а отсчет време ни перемещения якоря начинается от неподвижного положения, из уравнения (7) можно выразить длительность перемещения якоря во время фазы С:
N 2 i1 (1 1 ) i2 ( 2 2 ), (8) t i1 (U 1 i1 R1 ) i2 (U 2 i2 R2 ) где N – количество витков в катушках линейного двигателя;
, 1 и 2, 2 – начальные и конечные проводимости катушек линейно го двигателя, Гн.
В ходе анализа полученной ма =f ( 1) F, Н тематической зависимости выяв, Тл лено, что динамика перемещения 4,5 0, клапанного механизма зависит не 4,0 0, только от количества N витков и 3,5 0, проводимостей намагничиваю F=f ( 1) 3,0 0, щих катушек, но и от характера 2,5 0,05 изменения токов на катушках ли нейного двигателя. Зависимости 2,0 0, изменения магнитной индукции 1,5 0, и усилия, создаваемого линейным 1,0 0, двигателем, от перемещения яко 0,5 0, ря представлены на рисунке 7. Та ким образом, изменением токов, 0,5 1,0 1,5 2, 0 1, мм на катушках линейного двигате Рисунок 7 – Зависимости изменения магнит- ля обеспечивается возможность ной индукции B в воздушном зазоре и силы F управления длительностью пере на якоре линейного двигателя от перемещения ходной фазы С. При этом величи Х1 якоря на токов i1С и i2С должна изменять ся от 0 до 400 мА.
В четвертой главе «Программа и методика экспериментальных исследо ваний доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двига теля» описаны общая программа и методика экспериментальных исследова ний доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигате ля, приведены приборы и общая методика эксперимента, описана схема блока управления режимами работы доильного аппарата, даны частные методики определения длительности переходных процессов, получения осциллограмм изменения давления в межстенных камерах доильных стаканов и построения электромеханической характеристики линейного двигателя. Для лабораторных экспериментов был изготовлен стенд, изображенный на рисунке 8. Межстен ная камера доильного стакана через штуцер соединяется шлангом с пневмоте стером ПТД-1. Вакуумрегулятор задает и позволяет контролировать давление в системе доильного аппарата. Осциллограф отслеживает динамику изменения давления в межстенных камерах доильных стаканов. Электромеханическая ха рактеристика линейного двигателя снималась при помощи стенда, представ ленного на рисунке 9.
Рисунок 8 – Стенд для построения осциллограмм из менения давле 6 ния в межстен ных камерах до ильных стаканов:
1 – аппарат доиль ный;
2 – электро 4 пульсатор на осно ве линейного дви гателя;
3 – осцил 3 лограф TPX 2024;
4 – шланг пере менного вакуума;
2 5 – стакан доиль ный со штуцером;
6 – вакуумрегуля тор;
7 – пневмоте 1 стер ПТД- Рисунок 9 – Стенд для определения электромеханической характеристики линейного двигателя: 1 – блок управления электропульсатором;
2 – потенциометр;
3 – линейный двигатель;
4 – осциллограф В пятой главе «Результаты экспериментальных исследований усовершен ствованного доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя» изучена длительность переходных процессов в межстенных камерах доильных стаканов усовершенствованного доильного аппарата, дана электроме ханическая характеристика линейного двигателя, проверена адекватность и до стоверность расчета диаметра атмосферного канала электропульсатора.
Получены осциллограммы изменения давления в межстенных камерах доиль ных стаканов, перемещения якоря линейного двигателя и изменения токов на ка тушках линейного двигателя (рисунок 10). В экспериментах время одной пульса ции составляло 1000 мс, что соответствует существующим установкам. В доиль ном аппарате с разработанным электропульсатором, в отличие от существующих установок, появляется возможность задавать длительность переходной фазы C, что происходит за счет изменения токов i1 и i2 на катушках линейного двигателя.
Изменение токов на катушках линейного двигателя позволяет изменять давление в межстенных камерах доильных стаканов. Продолжительность переходных про цессов в межстенных камерах доильных стаканов определялась по осциллограм мам изменения давления, снятым во время работы доильного аппарата по пред ложенной нами методике. В результате обработки полученной осциллограммы давления выявлено, что длительность переходной фазы C составляет 120 мс, что соответствует физиологии доения коров. Наличие инертности процесса обуслов лено жесткостью сосковой резины.
Рисунок 10 – Осциллограммы изменения давления в межстенных камерах доиль ных стаканов (1), перемещения якоря линейного двигателя (2) и токов на катушках двигателя (3, 4) Установлено что на длительность переходных процессов в межстенных каме рах доильных стаканов оказывает влияние значение токов на катушках линейно го двигателя. Причем ток на первой катушке резко изменяется от 0 до 400 мА, на второй – увеличивается до 400 мА плавно, а уменьшается так же, как и на пер вой катушке.
Теоретические значения длительности переходных процессов во время фазы С при описанном режиме давления и номинальном значении вакуума 50 кПа от личаются от экспериментальных на 8...10 %. Это соответствует достаточной схо димости результатов и достоверности допущений, взятых при теоретических ис следованиях длительности фазы С (рисунок 11).
Перемещение якоря во время переходных фаз происходит линейно, но во вре мя фазы C длительность перемещения соответствует физиологически обоснован ной длительности переходного процесса в доильном стакане. Обработка осцил лограммы перемещения якоря позволяет получить экспериментальные зави симости перемещения якоря во времени (рисунок 12). Теоретические значения перемещения клапана в фазу С отличаются на 4...6 %.
1,мм Pi, кПа, :
60 2, 70 1, 80 1, 90 0, 0 20 40 60 80 100 t, мс 100 t, мс 0 20 40 60 Рисунок 11 – Зависимости изменения дав- Рисунок 12 – График изменения пере ления Pi в межстенных камерах доильных мещения Х1 якоря линейного двигателя стаканов во время фазы С во время фазы С В соответствии с теорией планирования эксперимента был проведен двухфак торный эксперимент для выбора оптимальных геометрических размеров клапан ного механизма электропульсатора (таблица 1).
Таблица 1 – Условия эксперимента Факторы Величина Диаметр DА, мм Ход Х1, мм Кодированное обозначение фактора Х1 Х Нижний уровень Xi 0,001 0, Основной уровень Xi 0,003 0, Верхний уровень Xi 0,005 0, Интервал варьирования 0,002 0, В качестве целевой функции принята требуемая производительность QН ваку умного насоса, а диаметр DА атмосферного канала и перемещение Х1 якоря линей ного двигателя – как независимые факторы. Квадратичная модель отклика данного исследования была построена с использованием теории ортогонального планиро вания 2-го порядка. Для нахождения функции отклика была составлена матрица Xi для ортогонального двухфакторного плана. Адекватность полученного уравнения регрессии была проверена по критерию Фишера. Коэффициент детерминации для нашей модели равен 0,97, что позволяет говорить о высокой точности аппроксима ции. Анализ поверхности отклика показал, что оптимальное значение диаметра DА атмосферного канала – 4 мм, а перемещения якоря X1 – 2 мм (рисунок 13). Такие значения обеспечивают выполнение технологического процесса и расход UA воз духа электропульсатором на основе линейного электропривода, равный 0,002 м3/с, что соответствует производительности вакуумного насоса серийных доильных ап паратов при номинальном давлении в системе 50 кПа.
Рисунок 13 – Графическая зависимость производительности QН вакуумного насоса при определенных значениях диаметра DА атмосферного канала электропульсатора и перемещения Х1 якоря линейного двигателя Шестая глава «Экономическая эффективность результатов исследова ния усовершенствованного доильного аппарата с электропульсатором на осно ве линейного двигателя» включает два раздела. В первом проведен сравнитель ный анализ предлагаемой разработки с существующими аналогами, по результа там которого установлено, что стоимость электропульсатора на основе линейного двигателя в 2,4 раза ниже стоимости пульсатора LP 20 фирмы «Interpuls» (Ита лия). Во втором разделе дана технико-экономическая оценка применения пред лагаемой разработки. Чистый дисконтированный доход за три года в пересче те на одну корову равен: для мобильной доильной установки АИД-1 – 12,3 тыс.
руб.;
для установки УДА-16 «Елочка» 26, оборудованной электропульсаторами на основе линейного двигателя, – 8,7 тыс. руб. В первом случае срок окупаемости составил 8 месяцев, рентабельность – 144,62 %;
а во втором – 22 месяца, рента бельность использования – 46,15 %.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Предложена технология машинного доения, режим которой задается элек тропульсатором, работающим от линейного электропривода, с продолжительно стью переходного процесса от такта сосания к такту сжатия 120 мс, что в 2 раза больше, чем в существующих установках, и соответствует физиологическим осо бенностям процесса молокоотдачи коров.
2. Для регулирования длительности переходного процесса от такта сосания к такту сжатия разработана конструкция электропульсатора, отличительной осо бенностью которого является наличие линейного двигателя (патент РФ на изо бретение № 2370874) для привода клапанного механизма, состоящего из нижне го тарельчатого и верхнего конусного клапанов (патенты РФ на полезную модель № 79236, 95222, положительное решение о выдаче патента на изобретение по за явке № 2010126114).
3. Разработана методика расчета конструктивных параметров клапанного меха низма электропульсатора, согласно которой диаметры DК и DТ верхнего и нижнего клапанов составляют 5 мм, их толщина НК и НТ – 3 мм, диаметр DС штока, на кото ром закреплен клапанный механизм, при нагрузке 0,63 Н – 2 мм, диаметр DО отвер стия в перегородке между камерами постоянного и переменного вакуума – 4 мм.
4. По результатам эксперимента определено, что оптимальный диаметр DА ат мосферного канала равен 4 мм. Это обеспечивает расход воздуха электропульса тором UA 0,002 м3/с, что соответствует производительности серийных вакуумных насосов при номинальном давлении в доильном аппарате 50 кПа.
5. Получены закономерности изменения длительности процессов наполнения межстенных камер доильных стаканов атмосферным воздухом, согласно которым наибольшее влияние на продолжительность переходного процесса от такта соса ния к такту сжатия оказывает перемещение X1 конусного клапана электропуль сатора. Установлено, что для обеспечения требуемой длительности переходного процесса площадь SЗ сечения зазора, через который происходит наполнение меж стенных камер атмосферным воздухом, увеличивается до 14 мм2 при перемеще нии X1 верхнего клапана, ход которого составляет 2 мм.
6. Разработана новая конструкция линейного двигателя для привода клапан ного механизма электропульсатора, магнитная система которого состоит из двух симметричных цилиндрических магнитопроводов с плоским прямоходовым яко рем. По результатам расчета параметров магнитной системы получено значение индукции в воздушном зазоре B, равное 0,1 Тл, что позволяет создавать силу F на якоре в 5 Н. При этом величина токов i1 и i2 на катушках линейного двигателя из меняется в пределах от 0 до 400 мА.
7. Предложена математическая зависимость на основе уравнений баланса на пряжений для одновременной работы двух намагничивающих катушек, которая позволяет определить длительность переключения якоря линейного двигателя в момент, соответствующий переходному процессу от такта сосания к такту сжа тия. Установлено, что динамика перемещения клапанного механизма зависит не только от количества N витков и проводимостей намагничивающих катушек, но и от характера изменения токов i1 и i2 на катушках линейного двигателя.
8. Чистый дисконтированный доход за трехлетний расчетный период приме нения усовершенствованного доильного аппарата АИД-1 равен 12,3 тыс. руб. в пересчете на одну корову. При этом срок окупаемости капитальных вложений со ставит 8 месяцев, а рентабельность – 144,62 %. Чистый дисконтированный до ход за такой же расчетный период применения предлагаемой разработки на фер ме с поголовьем 200 коров равен 8,7 тыс. руб. на одну корову. Срок окупаемости доильной установки УДА-16 «Елочка» 26, оборудованной электропульсаторами на основе линейного двигателя, составит 22 месяца, при рентабельности использова ния 46,15 %.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ 1. Гринченко, В. А. Электропульсатор щадящего режима / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Сельский механизатор. – 2009. – № 8. – С. 26–27.
2. Гринченко, В. А. Доильный аппарат с электропульсатором / Г. В. Никитенко, И. В. Капустин, В. А. Гринченко // Сельский механизатор. – 2010. – № 4. – С. 32–33.
3. Гринченко, В. А. Оптимизация режима доения коров / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2011. – № 7. – С. 11–12.
Патенты 4. Пат. 79236 RU, МПК8 А01J 5/14. Электромагнитный пульсатор доильного ап парата / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко;
заявитель и патентообладатель СтГАУ. – № 2008132309/22;
заявл. 05.08.08;
опубл. 27.12.08, Бюл. № 36.
5. Пат. 95222 RU, МПК8 А01J 5/14. Электропульсатор доильного аппарата / Г. В. Никитенко, И. В. Капустин, В. А. Гринченко;
заявитель и патентообладатель СтГАУ. – № 2010108042/22;
заявл. 04.03.10;
опубл. 27.06.10, Бюл. № 18.
6. Пат. 2370874 RU, МПК8 H02K 33/12. Линейный двигатель / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко;
заявитель и патентообладатель СтГАУ. – № 2008112342/09;
заявл.
31.03.08;
опубл. 20.10.09, Бюл. № 29.
7. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010126114 RU, МПК8 А01J 5/14. Электропульсатор доильного аппарата / Г. В. Ни китенко, И. В. Капустин, В. А. Гринченко;
заявитель и патентообладатель СтГАУ. За явл. 25.06.10.
Статьи в сборниках трудов 8. Гринченко, В. А. Электромагнитный пульсатор, отвечающий физиологическим требованиям машинного доения / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК : сб. науч.
тр. – Орел : Изд-во Орел ГАУ, 2008. – С. 127–130.
9. Гринченко, В. А. Электромагнитный пульсатор / Г. В. Никитенко, В. А. Гринчен ко // Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэ нергии в сельском хозяйстве : сб. науч. тр. – Ставрополь : АГРУС, 2008. – С. 57–60.
10. Гринченко, В. А. Электромагнитный пульсатор с плавными переходными процес сами / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хо зяйстве : сб. науч. тр. – Ставрополь : АГРУС, 2009. – С. 403–407.
11. Гринченко, В. А. Линейный двигатель возвратно-поступательного движения с ре гулированием амплитуды колебания якоря / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. – Ставрополь : АГРУС, 2009. – С. 407–411.
12. Гринченко, В. А. Об усовершенствовании электропульсатора для машинного до ения / В. А. Гринченко // Техника и технология. – 2009. – № 1. – С. 27.
13. Гринченко, В. А. Электромагнитный пульсатор доильного аппарата новой кон струкции / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе : сб. науч. тр. – Ставрополь : АГРУС, 2009. – С. 71–72.
14. Гринченко, В. А. Электропульсатор доильного аппарата на основе линейного электродвигателя / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных техноло гий : сб. науч. тр. – Волгоград : ИПК «Нива», 2010. – С. 277–279.
15. Гринченко, В. А. Электропульсатор доильного аппарата / В. А. Гринченко // Ре сурсосберегающие приемы и способы повышения продуктивности сельскохозяйствен ных животных : сб. науч. тр. – Тверь : «Агросфера» ТвГСХА, 2010. – С. 109–110.
16. Гринченко, В. А. Электропульсатор для современного доильного аппарата / В. А. Гринченко // Инновационное развитие аграрного сектора экономики: сб. науч. тр. – Курск : Изд-во Курск. Гос. с.-х. ак., 2010. – С. 232–234.
17. Гринченко, В. А. Приборы и методика определения эксплуатационных параме тров пульсаторов доильных аппаратов / И. В. Капустин, В. А. Гринченко // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. – Ставрополь : АГРУС, 2010. – С. 58–61.
18. Гринченко, В. А. Результаты исследования линейного электродвигателя для ва куумного пульсатора доильного аппарата / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудо вания в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. – Ставрополь : АГРУС, 2010. – С. 268–271.
19. Гринченко, В. А. Линейный электродвигатель пульсатора с щадящим режимом доения / Г. В. Никитенко, В. А. Гринченко // Актуальные проблемы энергетики АПК :
сб. науч. тр. – Саратов : Изд-во «КУБиК», 2011. – С. 215–218.
Подписано в печать 17.10.2011. Формат 60х84 1/16. Гарнитура «Таймс». Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 331.
Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.