по графику интенсивности молоко-отдачи. Так, исходя из сказанного, можно выделить три фазы (рис. 7).

Для каждой фазы выведения молока должен быть оптимальный режим

Рисунок 7 − Основные режимы доения работы аппарата. После надевания

стаканов доильный аппа­рат должен в фазе А в течение 20...30 с проводить усиленные мас­сирующие воздействия на соски вымени. При возрастании интенсивности молокоотдачи до 0,45…0,5 кг/мин, аппарат переходит в режим работы для фазы Б, т. е. происходит интенсивное выведение молока. При снижении молокоотдачи до 0,5…0,4 кг/мин наступает фаза В − машинное додаивание с заключительным массажем сосков вымени.

Нами разработана конструкция доильного аппарата стимулирующего действия (рис. 8), работающего по рассмотренному режиму, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение № 000. Доильный аппарат с управляемой стимуляцией (далее ДАУС) имеет стака­ны 1, коллектор 2, основной пульсатор 3, работающий с частотой 1 Гц, стимули­рующий пульсатор 4 функционирующий с частотой пульсаций 8…10 Гц, молокосборник 5 с отключающим устройством 6 в виде ковша с клапаном.

А. Б.

1− доильный стакан; 2− коллектор; 3 − основной пульсатор; 4 − стимулирующий пульсатор;

5 − молокоприемник; 6 − отключающее устройство; 7 − шланг; 8 − клапан; 9 − ковш с жиклером

Рисунок 8 − Доильный аппарат с управляемой стимуляцией: принципиальная схема - А;

общий вид – Б

В доильном аппарате ДАУС в первоначальный и заключительный периоды доения основной и стимулирующий пульсаторы работают совместно. Из-за подачи стимулирующим пульсатором в межстенную камеру стаканов незначительных порций воздуха с частотой 8…10 Гц при такте сосания, средняя величина вакуума в этой камере меньше чем в подсосковой. Поэтому наблюдается полусжатое состояние сосковой резины с микро­колебаниями ее стенок с амплитудой 1..2 мм (рис. 9 А). Это позволяет массировать соски вымени до начала интенсивной молокоотдачи и по ее завершению, снижать наползание стаканов и вредное воздействие вакуума на соски.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

А. Б.

− атмосферное давление; − вакуум в подсосковой камере; − − изменение давления в межстенной камере; − продолжительность такта сосания; − продолжительность такта сжатия

Рисунок 9 − Схема работы доильных стаканов и осциллограмма давлений в межстенных камерах доильных стаканов в начальной и заключительной стадии доения (А) и в основное время доение (Б)

При интенсивной молокоотдаче аппарат ДАУС переходит на двухтактный режим работы. Это позволяет за более короткое время извлекать основного количества молока. Сосковая резина в такте сосания не сжимает сфинктер соска и поэто-

му не затрудняет выведению молока (рис. 9 Б).

Время, затрачиваемое на подготовительные операции должно находиться в

пределах 45…60 с. Поэтому все виды стимуляции молокоотдачи перед доением не должны превышать по длительности скрытого периода молокоотдачи.

Исходя из конструкции доильного аппарата ДАУС, время работы стимулирующего пульсатора t равна продолжительности , определяется наполнением ковша и при постоянных его геометрических размерах зависит от интенсивности выведения молока и площади отверстия в ковше.

Рассмотрим действующие силы на систему ковш–клапан (рис. 10).

Сумма моментов сил, действующих на систему относительно точки А поворота ковша, будет иметь вид

(8)

где − соответственно расстояние от точки поворота до центра тяжести ковша

и поршня, м; − соответственно сила тяжести ковша; сила тяжести молока; сила тяжести подвижных частей клапана; сила от вакуума; сила, действующая на ковш со стороны струи молока, Н.

1− ковш; 2− отверстие; 3− шарнир; 4− клапан;

5− молокоприемник; 6− патрубок Рисунок 11 − Схема к расчету времени

Рисунок 10 − Схема отключающего устройства заполнения ковша

Сделав допущение, что молоко осуществляет косой удар о дно ковша, то сила от струи молока, действующей на ковш:

(9)

где − плотность молока, ; − площадь поперечного сечения входного молочного патрубка крышки ведра, ; − скорость истечения струи молока, ;

− угол наклона молочного патрубка, град.

Силу тяжести молока определим из выражения:

(10)

где − площадь зеркала молока в ковше, ; − уровень молока в ковше, м.

Подставим значение сил в выражение (10), решив относительно уровня молока

в коше h, получим:

(11)

При выполнении условия (11) ковш выйдет из исходного состояния и переместится в крайнее нижнее положении и стимулирующий пульсатор отключится.

Рассмотрим процесс наполнения до уровня h. Выделим в ковше элементарный объем жидкости на расстоянии h от отверстия (рис. 11). Элементарный объем жидкости в ковше имеет вид

Время заполнения ковша будет

(12)

где , − объемная производительность соответственно на притоке молока и

вытекании через отверстие, /с.

Количество жидкости вытекающей через отверстие

(13)

где − коэффициент расхода, .

Объемная подача молока в ковш зависит от интенсивности молокоотдачи коровы. Её можно определить исходя из зависимости (6). Проще получить зависи-

мость на основании экспериментальных данных.

Как видно из рисунка (рис. 7, зона А) интенсивность молокоотдачи за время латентного периода повышается равномерно, практически линейно, тогда на этом участке выражение для притока можно записать:

(14)

где n1 − коэффициент пропорциональности, м3/с2; t − продолжительность доения, с.

Формула (13) с учетом (14) и (15) примет вид

(15)

Решение уравнения имеет вид:

(16)

где С − постоянная интегрирования.

Выражение (16) характеризует взаимосвязь конструкторско-режимных параметров отключающего устройства стимулирующей секции пульсатора. Задавшись конструкцией ковша и временем его наполнения, определяют площадь отверстия в ковше для своевременного включения или отключения стимулирующего пульсатора.

При извлечении молока у коров двухтактными доильными аппаратами наблюдается чрезмерное наползание стаканов на соски и, как следствие, преждевременное прекращение молоковыведения. Оттягивание вниз доильных стаканов руками, предотвращающее наползание, требует значительных затрат времени.

А. Б.

Рисунок 12 − Схема сил, действующих на сосок: такт сосания (А), такт сжатия (Б)

Наползание стаканов на соски происходит при такте сосания доильного аппарата. При такте сосания под соском действует вакуум, вызывающий силу присасывания стакана Рн1 (рис. 12 А), направленную вверх. При перемещении стакана по соску возникает сила трения Fт1, препятствующая движению. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести G1. Также действует сила от давления натянутой в стакане сосковой резины Рс1, что вызывает сопротивление упругости тканей соска этому обжатию Ру. В присоске происходит деформация утолщенной зоны сос-

ка и появление силы Рсп, препятствующей движению стакана вверх.

Уравнения равновесия сил, действующих на сосок:

; (17)

Так как нормальная реакция соска равна силе упругости , то выражение для определения силы трения запишется как

где f1 − коэффициент трения сосковой резины о поверхность соска; рs− среднее давление резины на сосок, Па; d, l1− соответственно диаметр и длина соска, охватываемая сосковой резиной без учета высоты присоска, м.

Силу присасывания можно определить через величину вакуума под соском, т. е. . Сила тяжести стакана определится как (m − масса подвесной части доильного аппарата, приходящая на один стакан, кг). Силу сопротивления вертикальному перемещению стакана в области присоска

где рвп− разрежение в полости присоска, Н/м2; f2 − коэффициент сопротивления перемещению стакана; k − коэффициент, учитывающий площадь утолщенного участка соска, участвующую в сопротивлении перемещению стакана; d1−диаметр утол-щенной части присоска его, м; l2 − рабочая высота присоска, м.

Для простоты расчетов можно принять, что коэффициенты трения f1 = f2. После подстановки составляющих величин, входящих в формулу (17) получим, решая относительно массы стаканов:

(18)

Масса подвесной части доильного аппарата должна подбираться таким образом, чтобы стаканы с одной стороны не наползали на соски, а с другой не спадали с сосков. Спадание доильных аппаратов с вымени происходит обычно при такте сжатия.

С наступлением такта сжатия смыкание стенок сосковой резины первоначально происходят под соском, а затем распространяется вверх. Следует заметить, что у цилиндрической сосковой резины смыкание стенок происходит не полностью. Моделирование путем построения геометрических кривых сжатия соска при смыкании стенок сосковой резины показали, что площадь торца (кончика) соска уменьшается в 2,7…3,0 раза по сравнению с первоначальной. При диаметре соска 25 мм и вакууме под соском 48 кПа во время такта сосания, действующая сила на стакан вверх, составит , а при такте сжатия будет всего .

У стандартного доильного стакана резина защемлена на концах и при смыкании ее стенок сжатие соска происходит под углом (рис. 12 Б). На сосок действует сила от давления сосковой резины , что вызывает сопротивление упругости тканей соска. Суммарная выталкивающая сила, со стороны соска на стакан, направлена вниз, а со стороны сомкнувшейся резины вверх. Целесообразно суммарную выталкивающую силу разделить на составляющие: боковую, возникающую от реакции боковой поверхности соска равную и торцевую , действующую на верхушку соска. Давление стенок сосковой резины на сосок по длине различное. Наибольшее давление наблюдается на верхушку соска при смыкании стенок сосковой резины. Поэтому стакан начинает перемещаться по соску вниз. Движение стакана по соску приводит к появлению силы трения , направленной вверх под углом к вертикали. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести . Результирующую силу Рсп, возникающую в присоске, примем равную по величине, что и при такте сосания, но направленную противоположно, так как стакан по соску перемещается вниз.

Уравнение равновесия сил действующих на сосок при такте сжатия

(19)

или с учетом значений сил, входящих в формулу (19), запишем:

(20)

где ,− соответственно давление сосковой резины на боковую поверхность соска и его верхушку, Н/м2; Sт − площадь торцевой поверхности присоска, м2.

Решая выражение (20) относительно массы, получаем:

(21)

Выражение (21) позволяет вычислить массу стаканов, которые устойчиво удерживаются на сосках при такте сжатия работы доильного аппарата. Подстановка численных значений в формулы (18) и (21) позволила получить величины при которых стаканы не наползают на вымя коровы, и обеспечивается полное выдаивание молока без затрат ручного труда масса подвесной части доильного аппарата должна быть около 5 кг, а для надежного удерживания стаканов на вымени при такте сжатия необходима – 2,5 кг. Масса подвесной части серийных доильных аппаратов колеблется от 2 до 3,0 кг. Что говорит об не оптимальном ее значении, которое приводит при доении к наползанию стаканов на соски вымени.

На наш взгляд, при доении следует автоматически перераспределять оттягивающее усилие на сосках в зависимости от такта работы аппарата. Подвесная часть такого доильного аппарата представлена на рисунке 13.

А. Б.

Рисунок 13 − Подвесная часть доильного аппарата: принципиальная схема (А); общий вид (Б);

1, 2 − стаканы; 3 − коллектор; 4, 8, 9, 11, 12 − камеры; 5 − распределитель; 6 − цилиндр;

7 − поршень; 10 − демпфер; 13, 14 − каналы; 15, 16 − патрубки; 17 − клапан

После подключения доильного аппарата к источнику вакуума, оператор надевает стаканы на соски вымени коровы. Пульсатор подает одновременно в камеру 12 распределителя воздух, а в камеру 11 – вакуум. Вакуум из камеры 11 по патрубку 15 поступает в межстенные камеры доильных стаканов 1, в этой доли вымени наступает такт сосания. Воздух из камеры 12 по патрубку 16 подается в межстенные камеры стаканов 2 другой половины вымени, где наступает такт сжатия. Одновременно вакуум по каналу 13, а воздух по каналу 14 поступают соответственно в камеры 8 и 9 цилиндра 6. От возникшего перепада давлений поршень 7 перемешается в крайнее левое положение, происходит перераспределение массы коллектора, действующей на доильные стаканы. Под стаканами 1 появляется сосредоточенная сила тяжести от поршня 7, что исключает их наползание на соски вымени. Под стаканами 2 значение силы тяжести пропорционально уменьшается, что способствует их надежному удерживанию на сосках вымени при снижении вакуума под ними от смыкания сосковой резины в такте сжатия. При переключении пульсатора происходит противоположная замена тактов. В стакане 2 наступает такт сосания, а в стакане 1– такт сжатия и соответственно перераспределение массы в коллекторе, действующей на доильные стаканы 1 и 2. От изменения положения центра масс коллектора происходит его раскачивание, передающееся на вымя, что расценивается как положительный фактор, стимулирующий молокоотдачу и увеличивающий полноту извлечения молока.

В виду сложности аналитического рассмотрения взаимодействия подвесной части доильного с выменем коровы, в диссертационной работе приняты допущения. Трубки, соединяющие стаканы с коллектором приняты в качестве нитей, масса которых сосредоточена в коллекторе, а его цилиндр представлен в виде направляющей

по которой перемещается поршень.

При раскачивании подвесной части аппарата соски вымени совместно с доильными стаканами изменяют свой угол наклона относительно вертикали (рис. 14).

Допустим значение реакций со стороны коллектора таковы, что стаканы будут неподвижны на

сосках вымени, т. е. длины стержней О1А = О2В = l = const при движении всей системы. Взаимодействие

Рисунок 14 – Расчетная схема взаимодействия подвесной части с выменем удобно

подвесной части доильного аппарата с выменем рассматривать по этапам.

Выберем произвольное положение системы и приложим действующие силы. При подключении доильного аппарата к вакууму, перепад давлений передается на поршень, он приходит в движение по направляющей, от чего изменяется положение центра масс системы. При этом поршень и направляющая перемещаются в противоположные стороны. Так как направляющая зафиксирована концами на подвесах (молочных трубках), то происходит их отклонение с увеличением угла поворота относительно вертикали. Поршень совершает относительное движение по направляющей, которая в свою очередь совершает поступательное движение.

Уравнение относительного движения поршня будет

(22)

где сила, действующая на поршень, Н; силы инерции поршня и трения, Н.

С учетом значений входящих сил в формулу (22), получим

(23)

где − величина вакуума, Н/м2; S1 −площадь торца поршня, м2; t−время, с; f − коэффициент трения поршня о цилиндр; эмпирический коэффициент.

Для определения движения системы в целом, воспользуемся теоремой о движение центра масс, имеем:

(24)

(25)

где − координаты центра масс системы направляющая−поршень, м; соответственно масса поршня и всей остальной системы (корпус коллектора с молочными патрубками), кг.

При этом ; (26)

где расстояние от конца цилиндра коллектора до поршня, м; − координаты центра тяжести соответственно поршня и корпуса коллектора, м.

Продифференцировав дважды выражения (26) и подставив в уравнения (24), (25), решая совместно, имеем

(27)

Подставив ускорениеиз выражения (23) в формулу (27), получим:

(28)

Нелинейное уравнение можно решить численно с начальными условиями . Если принять, что угол мал (рассматриваются малые колебания, что в нашем случае вполне уместно) и, пренебрегая малыми величинами, получим упрощенное выражение колебания подвесной части доильного аппарата

(29)

Введем обозначения:

, (А>0), (В>0).

Тогда выражение (29) будет иметь вид

(30)

Применяя стандартные правила решения таких уравнений, получаем закон изменения угла отклонения

(31)

Решая совместно выражения (23) и (31) получаем закон движения поршня в цилиндре коллектора:

где ; (32)

При достижении поршнем крайнего положения происходит удар о торцовую стенку направляющей (рис. 15). От чего увеличение угла поворота прекращается, он достигает максимального значения. В виду того, что на поршень продолжает действовать сила от пере-пада давлений, то при ударе поршень остается у торцевой стенки. Удар Рисунок 15 – Схема к расчету можно считать неупругий. От получен -

ного импульса направляющая совместно с поршнем начинают двигаться в обратном направлении с одной скоростью, горизонтальная проекция которой составляет u. Угол уменьшается, движение системы при этом будет только поступательное, так как поршень относительно направляющей остается неподвижным.

Из теории удара будем иметь

(33)

где , соответственно скорость поршня и остальной системы, м/с, .

Из выражения (33) находим скорость системы после удара:

(34)

Наиболее вероятным является движение всей системы в направлении движения поршня до удара.

Приняв, что вся масса системы сосредоточена в точке центра масс С(C0 ), применим теорему об изменении кинетической энергии.

(35)

где соответственно начальная и текущая скорость центра масс системы, м/с.

Учитывая, что , преобразования выражения приводят к уравнению:

= (36)

где а − постоянная, равная .

Интегрируя выражение (36), получаем

(37)

где

Выражение (37) определяет закон изменения угла поворота подвесов системы при ее совместном поступательном переносном движении. Угол поворота подвесов и перемещение направляющей поршня зависит от начальной скорости , циклической частоте и сдвига фаз колебаний .

Начальная скорость, входящая в выражение (37) определяется по выражению:

(38)

Для определения реакций подвесов рассмотрим движение точки С, где находится центр сосредоточения масс системы (рис 15). Обозначим через угол отклонения подвесов от вертикали в некоторый момент времени, когда точка центра масс системы занимает положение точки С.

По принципу Даламбера сила тяжести , реакции подвесов , , касательная сила инерции , центробежная сила будут находиться в равновесии

(39)

где − координаты центра масс системы, м.

Подставляя значения сил входящих в систему (39), и решая относительно реакций , , получаем:

(40)

(41)

По выражениям (40) и (41) определяются реакции на соски со стороны колеблющегося коллектора доильного аппарата при совместном поступательном движении поршня с направляющей.

Продолжительность совместного поступательного движения системы

(42)

По истечении этого времени пульсатор переключиться для изменения тактов и перепада давлений, действующих на поршень. Поршень и направляющая снова перемещаются в противоположные стороны. Угол увеличивается относительно вертикали, но в противоположную сторону. Закон изменения колебаний системы будет происходить аналогично начальному этапу движения поршня, только при решении выражения (30), изменятся начальные условия. Если за начало данного этапа принять t=0, то , Начальная угловая скорость системы является конечной скорость рассмотренного ранее этапа при достижении угла , тогда уравнение (31) будет

(43)

Выражения (31) и (43) для определения угла поворота подвесов коллектора отличается друг от друга членом . При установившемся движении коллектор доильного аппарата будет отклоняться при работе на угол, определяемый по формуле (43).

Создание малогабаритного и эффективного исполнительного механизма переносного манипулятора доения для линейных доильных установок − важная проблема. Она может быть решена на основе пневмодвигателя, разработанного под руководством автора. Пневмодвигатель (рис. 16) оригинальной конструкции (патент РФ № 000) содержит корпус 1, внутри которого размещена цилиндрическая камера 2 с эксцентрично установленным ротором 3. На валу ротора шарнирно одним концом закреплены лопатки 4 криволинейной формы. Подвесная часть доильного аппарата поднимается с помощью гибкой нити 5, наматываемой на барабан 6, соединенный с ротором через малогабаритный планетарный редуктор 7. Двигатель работает от вакуума, действующего на лопатки. Подвод вакуума происходит через патрубок. Воздух поступает в камеру через отверстие в корпусе.

Криволинейные лопатки не требуют замены в течение всего эксплуатационного

срока службы пневмодвигателя. Пневмодвигатель обладает малой массой, что важно, так как аппарат переносится при работе за счет мускульной силы дояра. Он может применяться в качестве исполнительного механизма манипулятора переносного доильного аппарата на доильных установках с молокопроводом (АДМ-8А, УДМ-200).

1-корпус; 2- камера; 3- ротор; 4- лопатка; 5- нить; 6- барабан; 7- редуктор; 8- шарнир

Рисунок 16 − Конструктивная схема пневмодвигателя манипулятора.

Доильный аппарат (рис. 17) содержит стаканы 1 (патент РФ № 000), коллектор 2, пульсатор 3, молочный и воздушный 4 шланги и манипулятор, включающий пневмодвигатель (патент РФ № 000) 5, пневмодатчик 6 с клапаном 7. Пневмодвигатель связан гибкой нитью 8 с коллектором.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4