24

Українська академія аграрних наук

Національний науковий центр

“Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”

(ННЦ “ІМЕСГ”)

На правах рукопису

Римар дмитро олександрович

УДК 637.116

Обґрунтування параметрів генератора імпульсів тиску доїльного апарата попарної дії

Спеціальність 05.05.11 –

„Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва”

Дисертація

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Науковий керівник –

доктор технічних наук,

професор, лауреат Державної премії

України в галузі науки і техніки

Фененко

Анатолій Іванович

Глеваха - 2006

З М І С Т

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ...............................................................5

ВСТУП.................................................................................................................7

РОЗДІЛ 1. СТАН ПИТАННЯ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ.........................13

1.1. Фізіологічні основи виведення молока з вимені.....................................13

1.2. Чинники, що обумовлюють ефективність машинного доїння.............17

1.3. Вплив режимів доїння на продуктивність корів.....................................18

1.4. Аналіз режимних характеристик доїльних апаратів..............................23

1.4.1. Параметри і режими роботи генератора імпульсів тиску (ГІТ)..........23

1.4.2. Аналіз технологічних і конструктивних схем та режиму роботи ГІТ31

1.4.3. Вплив параметрів повітропровідної лінії доїльної установки на режимну характеристику ГІТ...........................................................................40

1.4.4. Порівняльна характеристика однотрубної та двотрубної систем підключення апаратів до джерела вакуумметричного тиску.......................41

1.5. Мета та задачі досліджень........................................................................44

РОЗДІЛ 2. ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКА АНАЛІТИЧНОЇ МОДЕЛІ ГЕНЕРАТОРА ІМПУЛЬСІВ ТИСКУ............................................48

2.1. Обґрунтування режиму роботи доїльного апарата з ГІТ попарної дії.48

2.2. Розрахунок параметрів керованої частини ГІТ попарної дії.................70

2.2.1. Визначення технологічних параметрів пружинного елемента..........70

2.2.2. Визначення конструктивних параметрів пружинного елемента.......74

2.3. Висновки з розділу.2.................................................................................74

РОЗДІЛ 3. ПРОГРАМА ТА МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ..................................................................................................76

3.1. Програма досліджень................................................................................76

3.2. Методика досліджень...............................................................................76

3.2.1. Експериментальна установка................................................................76

3.2.2. Вхідні і вихідні параметри проведення досліджень................... ... 81

РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ ГЕНЕРАТОРА ІМПУЛЬСІВ ТИСКУ ПОПАРНОЇ ДІЇ................................83

4.1. Дослідження впливу діаметра дросельного каналу ГІТ на режими його роботи................................................................................................................83

4.2. Дослідження впливу довжини дросельного каналу ГІТ на режими його роботи................................................................................................................84

4.3. Дослідження впливу об’єму керуючої камери та осьового переміщення клапана ГІТ на режими його роботи..............................................................89

4.4. Дослідження впливу робочого вакуумметричного тиску на режими роботи ГІТ........................................................................................................ 92

4.5. Дослідження впливу дії пружини на режими роботи ГІТ....................97

4.6. Визначення основних параметрів ГІТ попарної дії..............................102

4.7. Дослідний зразок генератора імпульсів тиску попарної дії.................105

4.8. Висновки з розділу 4................................................................................107

РОЗДІЛ 5. РЕЗУЛЬТАТИ ВИРОБНИЧИХ ВИПРОБУВАНЬ ТА ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА...............................................................................108

5.1. Мета і задачі виробничих досліджень...................................................108

5.2. Методика досліджень..............................................................................108

5.3. Результати досліджень............................................................................110

5.4. Економічна ефективність застосування удосконаленого доїльного апарата з попарним виведенням молока із вимені.......................................116

5.5. Висновки до розділу 5.............................................................................122

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ................................................123

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ...................................................... 125

ДОДАТКИ........................................................................................................137

Додаток А. Патент України на винахід „Пульсатор доїльного апарата” 138

Додаток Б. Технічне завдання ТЗ У 05496135. 096 – 2004 „Апарати доїльні уніфіковані ДАФ-66, ДАФ-70”.....................................................................143

Додаток В. Перелік приладів та інструментів, які були використані для проведення досліджень..................................................................................144

Додаток Г. Форми таблиць до яких заносяться дані отримані в процесі досліджень.......................................................................................................145

Додаток Д. Результати статистичної обробки отриманих даних...............146

Додаток Е. Результати експериментальних досліджень.............................148

Додаток Ж. Акт виробничих випробувань генератора імпульсів тиску ІТ УААН...............................................................................................................150

Додаток И . Акт виробничої перевірки доїльного апарата з попарним виведенням молока з вимені..........................................................................151

Додаток К. Протокол виробничих випробувань доїльного апарата ДАФ-70.....152

Додаток Л. Протокол намірів про співпрацю..............................................154

Додаток М. Акт передачі науково – технічної продукції (результати досліджень, конструкторські розробки)......................................................155

Додаток Н. Акт про виготовлення макетних зразків доїльного стакана та пульсатора для підвісної частини уніфікованого доїльного апарата.......156

Додаток О. Лист ІТ УААН начальнику департаменту Мінагрополітики України про постановку на серійне виробництво доїльних апаратів ДАФ-70....................157

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ГІТ – генератор імпульсів тиску;

Р – тиск, кПа;

а – час переходу від такту стиснення до такту ссання, с;

b – час ссання, с;

с – час переходу від такту ссання до такту стиснення, с;

d – час стиснення, с;

t₁ – такт ссання, с;

t₂ – такт стиснення, с;

Т – час пульсу, с;

S_в.к. – площа верхнього клапана, м² ;

F_в.к.- сила, що діє на верхній клапан зверху вниз, Н;

G – вага мембранно – клапанного механізму, Н;

m – маса мембранно - клапанного механізму, кг;

g – прискорення вільного падіння, м/с²;

Р_в –вакуумметричний тиск при якому працює пульсатор, кПа;

S_м – площа мембрани, м²;

D_м – діаметр мембрани, м;

Р₁ – найменший тиск в керуючій камері, Па;

Р₂ – найбільший тиск в керуючій камері, Па;

S_н.к – площа нижнього клапана, м²;

F_н.к – сила, що діє на нижній клапан зверху вниз;

D₂ – діаметр нижнього клапана, м;

S_К1 – площа клапана керованої частини, м²;

Р_К – тиск в керуючій камері, Па;

К_Р – коефіцієнт Пуазейля, м³/Па·с;

L_д – довжина дроселя, м;

G – динамічна в’язкість повітря, Па·с;

r – радіус, м;

L – довжина дуги, м;

α – центральний кут, (в градусах);

а – довжина хорди, м;

h – довжина стріли сегмента, м;

V – об’єм керуючої камери, м³;

n – частота пульсації, с^-1;

t _с1 – такт ссання в керованій частині, с;

t_с2 – такт ссання в керуючій частині, с;

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

m_З - кількість молока в задніх долях вим’я, мл;

Р_П1 – тиск пружини при такті ссання, кПа;

Р_П2 - тиск пружини при такті стиснення, кПа;

F_К1 – сила, яка діє на клапан керованої частини при такті ссання, Н;

F_К2 - сила, що діє на клапан керованої частини при такті стиснення, Н;

F_ПР – сила пружини, Н;

ВСТУП

В сучасних умовах ведення сільськогосподарського виробництва, коли вирішується проблема підвищення ефективності молочного тваринництва на основі удосконалення технічних засобів машинного доїння шляхом підвищення продуктивності праці та покращення якості продукції, зменшення собівартості, а також забезпечення конкурентноздатності виробленої продукції потребує впровадження індустріальних методів виробництва.

В молочному тваринництві поставлена задача може бути вирішена шляхом удосконалення технології утримання тварин та технічних засобів, які забезпечують ефективне функціонування виробничих процесів на фермі з виробництва молока [96].

Актуальність теми дослідження

Одним із важливих факторів, які впливають на якість молока та здоров’я корів є доїльний апарат. При цьому найбільший вплив на параметри роботи доїльного апарата має пульсатор - генератор імпульсів тиску, в подальшому ГІТ. Визначення оптимальних конструктивних та технологічних параметрів ГІТ дає можливість контролювати параметри режимної характеристики доїльного апарата, і тим самим керувати процесом молоковіддачі, покращити якість молока та зменшити шкідливий машинний вплив на тварину, враховуючи її фізіологічні особливості.

Поставлена задача вирішується за умови застосування ГІТ попарної дії, який забезпечує ощадний режим роботи доїльного апарата, при якому різномолочні долі вимені видоюються з різною інтенсивністю.

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

Зв’язок роботи з науковими програмами

Робота виконана у відповідності з державною програмою виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу та науково – технічною програмою “Технології та комплекси машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва. Відтворення, технологічне і технічне переоснащення галузей тваринництва АПК України”, яка узгоджена Державними департаментами тракторного і сільськогосподарського машинобудування Мінпромполітики, Департаментом науково – технічної політики Мінагрополітики України та затверджена УААН, і складає частину проекту 04.01.ННЦ “ІМЕСГ” “Розробити основи проектування механізованих технологічних процесів, елементну базу та параметричні ряди нового покоління доїльних установок” (державний номер 0206U004468).

Мета і задачі досліджень

Мета досліджень. Покращення повноти видоювання молока шляхом удосконалення генератора імпульсів тиску доїльного апарата.

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

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

Задачі досліджень:

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

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

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

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

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

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

Експериментальні дослідження проводилися на лабораторних атестованих стендах лабораторії механізації доїння і первинної обробки молока ННЦ „ІМЕСГ”. При проведенні експериментальних досліджень використано методи планування експериментів, прикладного програмування, методи математичної статистики із застосуванням ЕОМ та методи статистичного і регресивного аналізу експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів

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

2. Розроблена аналітична модель процесу роботи ГІТ попарної дії, обґрунтовані геометричні та кінематичні його параметри;

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

Практичне значення одержаних результатів

Впровадження удосконаленого доїльного апарата з генератором імпульсів тиску попарної дії забезпечує видоювання різномолочних долей вимені з різною інтенсивністю. Розроблена конструкція ГІТ попарної дії може бути застосована як елементна база для всіх доїльних апаратів та установок, вітчизняного та зарубіжного виробництва.

Новизна технічних рішень, використаних під час розробки генератора імпульсів тиску захищена деклараційним патентом України на винахід № 52180 А. [ 101] (додаток А).

Результати теоретичних та експериментальних досліджень генератора імпульсів тиску попарної дії використані при розробці технічного завдання ТЗ У 05496135. 096 – 2004 „Апарати доїльні уніфіковані ДАФ-66, ДАФ-70” (додаток Б). Річний економічний ефект від впровадження запропонованого ГІТ попарної дії при доїнні однієї корови становить 544 грн.

Особистий внесок здобувача

• розроблено конструкційно – технологічну схему ГІТ попарної дії;

• проведено теоретичні дослідження процесу роботи ГІТ;

• обґрунтовано кінематичні та конструкційні параметри ГІТ;

• удосконалено методику експериментальних досліджень для виявлення основних закономірностей процесу роботи ГІТ в залежності від його параметрів;

• виготовлено експериментальний зразок ГІТ попарної дії;

• встановлені взаємозв’язки між зміною часу протікання складових пульсації та параметрами ГІТ;

• визначено ефективність впровадження генератора імпульсів тиску попарної дії у виробництво.

Апробація результатів досліджень

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

За результатами досліджень опубліковано 14 робіт, з них 3 одноосібних в тому числі 8 у фахових виданнях, одержано патент України на винахід.

Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані самостійно. Загальна доля участі в опублікованих у співавторстві працях перевищує 50%, в деклараційному патенті України на винахід становить 40%.

Дисертація викладена на 157 сторінках, з яких 124 сторінки - основна частина, включаючи 9 таблиць, 54 рисунки, список використаної літератури - 115 найменувань, із яких 9 на іноземних мовах, та 13 додатків.

РОЗДІЛ 1

СТАН ПИТАННЯ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ