автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Доильный аппарат с устройством защиты вымени при холостом доении

На правах рукописи

КАРПОВ Юрий Николаевич

ДОИЛЬНЫЙ АППАРАТ С УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ ВЫМЕНИ ПРИ ХОЛОСТОМ ДОЕНИИ

Специальность: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 И£Н 2015

005570012

Мичуринск - наукоград РФ 2015

005570012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет им П.А. Костычева» на кафедре "Механизация животноводства".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ульянов Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: Ужик Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор кафедры "Машины и оборудование в агробизнесе" ФГБОУ ВО "Белгородский государственный аграрный университет имени В .Я. Горина"

Щукин Сергей Иванович

кандидат технических наук, профессор кафедры ^ "Механизация и электрификация животноводства" ФГБОУ ВПО "Тверская государственная сельскохозяйственная академия"

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации

животноводства (ФГБНУ ВНИИМЖ)

Защита состоится 9 июля 2015 года в 14:00 на заседании диссертационного совета ДМ 220 041 03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования "Мичуринский государственный аграрный Университет" по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д.101, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 9-44-12, E-mail: riissov@mgau.ru.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ и на сайте www.mgau.ru. с авторефератом - на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской

Федерации www.vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «Ч ьдСю_» 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

. /

кандидат технических наук, доцент Н.В.Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования В настоящее время во многих хозяйствах нашего региона активно развивается молочное животноводство. Эта отрасль достаточно трудоемкая, требует значительных материальных вложений и больших затрат труда. Основным технологическим процессом на ферме по производству молока является доение.

Данный процесс на многих фермах малоэффективен, особенно при привязном содержании. Из-за неравномерности выдаивания коров, часто возникают передержки доильных аппаратов и соответственно холостое доение, при котором вакуум негативно воздействует на вымя, что может привести к заболеванию коров маститом и снижению их продуктивности. Исключить этот недостаток можно применением доильных аппаратов снабженными устройствами защиты вымени от воздействия вакуума при холостом доении, что повышает эффективность машинного доения.

Степень разработанности темы Анализ способов и средств доения, изложенных в работах Борисова Д.С., Борознина В.А., Волкова И.Е., Гордиевских М.Л., Карташова Л.П. Квашенникова В.И., Краснова И. Н., Королева В.Ф., Лукманова P.P., Ужика В.Ф., Ульянова В.М., Утолина В.В, Щукина С.И. и других авторов, показал, что вопрос безопасного молоковыведения требует дальнейшего изучения и исследования.

Цель и задачи: повышение эффективности машинного доения коров путем разработки доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении и снижения затрат труда с обоснованием параметров и режимов его работы.

Для выполнения указанной цели поставлены задачи исследования:

- оценить степень вероятности возникновения холостого доения у коров, обслуживаемых оператором, и определить направление совершенствования доильных аппаратов, обеспечивающих защиту вымени от воздействия вакуума;

- разработать конструктивно-технологическую схему доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- теоретически и экспериментально обосновать конструктивно-режимные параметры доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- выявить рациональные параметры и режимы работы доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- произвести проверку разработанного доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении в производственных условиях, определить снижение затрат труда и экономическую эффективность его применения, выполнить заключение.

Научная новнзна диссертационной работы:

- конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- теоретические положения по обоснованию конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- результаты экспериментальных и производственных исследований доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

Техническая новизна доильного^аппарата подтверждена патентами РФ на

изобретения №2493696, №2524542. ";.

Теоретическая н практическая значимость_работы. Определена

зависимость возникновения холостого доения у коров, обслуживаемых оператором, в зависимости от коэффициента неравномерности их .выдаивания. Разработан доильный аппарат с устройством защиту вымени при холостом доении и получены теоретические %явиситПи ,ло обоснованию его параметров. Результаты теоретических Я экспериментальных исследований имеют, большую практическую значимость для конструкторских, проектных организацией сельскохозяйстренных предприятий.

Методология и методы исследования При проведении теоретических исследований были использованы известные зако^*. физики, теоретической механики и математики. Теоретические исследования проводились с целью получения расчетных формул, которые позволяли установить конструктивно-режимные параметры работы доильноф аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении. При проведении экспериментальных исследовании применялись общеизвестные методики и разработанные на их базе - частные. Лабораторные и производственные испытания проводились с использованием современных электронных и механических устройств, установок и приборов, а также специально разработанных и изготовленных. Обработка экспериментальных данных в исследованиях осуществлялась методом математической статистики с использованием ПК и современных .компьютерных программ: STATISTICA 9, Mathematica 9, Mathcad 15, Microsoft Excell 10.

Положения, выносимые на защиту:

- оценочный показатель зависимости доли коров в группе подверженных

холостому доению; 4

- конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством

защиты вымени при холостом доении;

- теоретические зависимости, обосновывающие параметры и режимы работы доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- результаты лабораторных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров доильного, аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении;

- результаты проверки разработанного доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении в производственных условиях.

Степень достоверности н апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, применений современных методик и средств обработки результатов экспериментов.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО РГАТУ (г. Рязань, 2011-2014 г.), на всероссийской научно-практической конференции "Инновационные и нанотехнологии в системе стратегического развития АПК региона" ФГБОУ ВПО ТГСХА (г.Тверь, 2013 г.), на IX международной научно-практической конференции "Аграрная наука - сельскому хозяйству" ФГБОУ ВПО АГАУ (г. Барнаул, 2014г.), на международной научно-практической конференции, посвященной Дню

российской науки "Образование, наука, практика: инновационный аспект" ФГБОУ ВПО ПГСХА (г. Пенза, 2015г.), на 67-й научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО Мичуринский ГАУ (г. Мичуринск, 2015г.) и опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и 2 патентах РФ на изобретения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ способов и средств защиты вымени коров от вредного воздействия вакуума» дан обзор и анализ состояния исследуемого вопроса, изложены основные физиологические требования к машинному доению коров, а также выполнен анализ результатов научных исследований в этом направлении.

Анализ научных работ показывает, что, несмотря на значительное число научных исследований, процесс машинного доения требует дальнейшего совершенствования, а особенно в плане безопасного для здоровья коровы выведения молока доильными аппаратами и защиты вымени от вредного воздействия вакуума при холостом доении, связанном с передержками доильных стаканов на вымени коров по завершению их доения.

В связи с этим была сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во втором разделе "Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении" представлено обоснование возникновения холостого доения в группе коров, обслуживаемых оператором, из-за неравномерности продолжительности их выдаивания. Предложена конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении, дано описание его работы. Приведены аналитические зависимости для расчета конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении.

Увеличение производительности труда оператора при привязном содержании за счет числа доильных аппаратов, обслуживаемых им, приводит к тому, что оператор не успевает выполнять операции в соответствии с правилами машинного доения. Из-за неравномерности продолжительности выдаивания коров, которую следует оценивать коэффициентом неравномерности к <1, невозможно избежать холостое доение при работе с типовыми доильными аппаратами. Коэффициент

неравномерности к, определяется из выражения:

к =

где 1мср, 1мт|п - соответственно средняя и минимальная продолжительность машинного доения, с;

Долю коров в группе, обслуживаемых оператором Р, подверженных холостому доению можно определяется:

Р. ("-00-*)

б

где п - число доильных аппаратов, с которыми одновременно работает оператор; к -коэффициент неравномерности выдаивания коров.

Графическая интерпретация выражения (2) при различных значениях коэффициента неравномерности к представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость доли У коров в группе, подверженных холостому доению, от числа п доильных аппаратов с которыми работает оператор: к,=0,9; к2=0,75; к3=0,6

Так при работе оператора машинного доения с тремя аппаратами при изменении значения коэффициента }с от 0,9 до 0,6, доля коров в группе подверженных холостому доению изменяется от 6 до 27%. Поэтому для сокращения числа коров подверженных холостому доению необходимо создание доильного аппарата обеспечивающего защиту вцмени от вредного воздействия вакуума, для исключения заболевания коров и снижения их продуктивности.

На наш взгляд, перспективна конструкция доильного аппарата, который после выдаивания коровы автоматически с заданной задержкой останавливает работу пульсатора на такте сжатия. "^1ри этом сосковая резина, обжимая сосок, препятствует проникновению вакуума в полость молочных цистерн сосков вымени, этим достигается эффект защиты внутренних тканей от вредного воздействия вакуума при передержках доильных стаканов.

Конструктивно-технологическая схема предлагаемого доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении (патент РФ № 2493696) представлена на рисунке 2.

Доильный аппарат работает следующим образом. После подключения к источнику вакуума (не показан), оператор надевает доильные стаканы 1 на соски вымени коровы. Начинается процесс доения. Молоко из сосков поступает в подсосковую камеру 5 доильных стаканов 1, затем через коллектор 2 в молочную камеру 8 приставки 4 и далее в молокоприемник. По мере поступления молока в

1 - доильный стакан, 2 - коллектор, 3 - пульсатор, 4 - приставка, 5 - подсосковая камера, 6 - межстенная камера доильного стакана, 7 - перегородка, 8 - молочная камера, 9 - термостатический сильфон, 10 - шток, 11 - присоска, 12 - клапан, 13 -пружина, 14 - осевые отверстия, 15 - камера постоянного вакуума, 16 - камера переменного вакуума, 17 - камера постоянного атмосферного давления, 18 - клапан пульсатора, 19 - управляющая камера, 20 - буртик, 21 - канал

Рисунок 2 - Принципиальная схема доильного аппарата

молочную камеру 8 приставки 4 термостатический сильфон 9 нагревается, его длина увеличивается, от чего поднимается в вверх шток с присоской 11 до упора в клапан 12, обеспечивая её прикрепление к нему. В таком положении термостатический сильфон 9 и соответственно клапан 12 будут находиться до конца доения. При завершении молокоотдачи и поступления молока в молочную камеру 8 рабочее тело термостатического сильфона 9 охлаждается, он сжимается и перемещает за собой шток 10 с клапаном 12. Его боковая поверхность закрывает отверстие канала 21, исключая поступление воздуха или вакуума из камеры переменного вакуума 16. Так как на клапан 18 пульсатора 3 сверху действует атмосферное, а снизу вакуумметрическое давления, то он будет удерживаться в нижнем положении, отсекая тем самым поступление вакуума из камеры 15 в камеру 16 пульсатора 3. Атмосферное давление из камеры 17 пульсатора 3 поступает в камеру 16, а затем в межстенную камеру 6 доильного стакана, пульсатор 3 прекратит свою работу на такте сжатия. Следует заметить, что полностью перекрытие отверстия канала 21 боковой поверхностью клапана 12 и переход пульсатора на такт сжатия происходит ранее, чем термостатический сильфон 9 сократится до первоначальной длины.

Стенка сосковой резины сжимается, препятствуя проникновению вакуума в полость соска и молочной цистерны вымени. Прекращение работы пульсатора служит своего рода окончательным звуковым сигналом, побуждающим оператора к своевременному снятию доильных стаканов 1 с сосков вымени животного.

Одной из особенности конструкции предлагаемого доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении является то, что пульсатор совмещен с приставкой. В данном устройстве для изменения частоты пульсации следует менять объем управляющей камеры (рис. 3). За счет использования вкладышей 4 с различным внутренним; диаметром можно получить необходимое изменение объема управляющей камеры'пульсатора. ^

ш

л :

; V

1,2- соответственно верхняя и нижняя насти управляющей камеры, 3 - шток, 4 -вкладыш

Рисунок 3 - Схема управляющей камеры пульсатора соединенного с приставкой

Общий объем управляющей камеры Уо6щ, м3 будет:

У06ш=У, + У2-У3-У4 " (3) „

где V,, У2, Уз, У4 - соответственно объемы верхней и нижнеи части управляющей

камеры, штока и вкладыша (рис.3), м .

Объем штока и присоски представим в виде одного объема У3.

Объемы V,, У2, У3, У4 найдем п| формуле для нахождения объема цилиндра

V = л ■ Я2 ■ Ь

где Я, Ь - соответственно радиус и высота цилиндра, м;

Подставляем найденные объемы в выражение (3) и преобразуя, получаем: У0бш = Я • (Я,2 • И, + И2 ■ (Я22- Яз2)> (Из • (Я22- Ъ2))) (5)

где Я,, Я2 Я4 - соответственно радцусы верхней и нижней части управляющей

камеры, штока и вкладыша (рис.3), м;

И,, Иг, Ь3, 114 - соответственно высота верхней и нижней части управляющей

камеры, штока и вкладыша (рис.3), м.

Формула позволяет определить общий объем управляющей камеры пульсатора. Тогда с учетом выражения (5) запишем: Продолжительность такта сосания т,, с:

31 ' - п -

Р7-^Р?-Р/ '(2Р7

Продолжительность такта сжатия т2, с:

-Т_=-1.1.1П—^ (7) Р1+Ы-Р2

где - I - площадь отверстия канала управляющей камеры, м2; ц - коэффициент расхода воздуха; Рв - рабочий вакуум, Па; Ра - атмосферное давление, Па; Р, Р, -величины наименьших и наибольших предельных давлений в управляющей камере Па; а - коэффициент.

Зная значения продолжительности тактов сосания и сжатия можно найти частоту пульсаций п, с :

п = 1 / (т, + т2) (8)

Подставляя численные значения параметров управляющей камеры пульсатора в формулу (8) были построены графические зависимости частоты пульсаций от внутреннего диаметра управляющей камеры (рис.4).

0,0044

0,0048 0,0052

=53 кПа —в— Р=49 кПа Р=45 кПа

^ внутр' м

Рисунок 4 - Графические зависимости числа пульсаций п от внутреннего диаметра вкладыша ёвнутр

Из рисунка следует, что с увеличением диаметра вкладыша, частота пульсатора уменьшается.

Для определения диаметра отверстия канала корпуса пульсатора, связанного с атмосферой и перекрываемого верхней торцевой поверхностью клапана, представим шток с присоской и пружиной в виде стержня постоянной жесткости (ЕА), защемленного с двух сторон и нагруженного распределенной нагрузкой интенсивностью я(у) в которую вошли: усилие от вакуума Р„, вес стержня Рст и усилие упругости пружины. Во время взаимодействия возникают реакции опор Я, и Расчетная схема устройства защиты вымени представлена на рисунке 5.

Ф1

грузоВоя эпюра

единичной

Рисунок 6. Единичная и грузовая эпюры

.....

Рисунок 5. Схема к расчету устройства защиты вымени

Данная система статически неопределима, так как имеет две неизвестные реакции:

Строим единичные и грузовые эп^ры, рисунок 6. Грузовая эпюра:

(10)

гХ , % J rxqydy _ qy

N = fQ ЧШУ = Jo — - -*

21

0 < х < 1 при х = 0 N=0 .. ql при х = 1 N — —

(11)

Единичная эпюра:

jV1=ic1 = -l = const (12)

Полученное уравнение для нахождения диаметра отверстия канала корпуса пульсатора, связанного с атмосферой d,fe имеет вид:

d =

\

n-df

8'd.in

•X+P.^i

(13)

п-Р„

где в - модуль сдвига пружины; - диаметр проволоки пружины, м; аР - диаметр намотки пружины, м; п - число витков пружины; х - абсолютное удлинение пружины, м; ёст - диаметр стержня, м; Рв - вакууметрическое давление, Па;

Рассмотрим движение клапана совместно с уменьшением длины термостатического сильфона, что характерно для момента отрыва клапана от торцевой поверхности корпуса (рис. 7).

Рисунок 7 - Схема к расчету движения клапана

Для данного случая составим уравнения равновесия: = 0; N,-N2=0,

I мА 5 ор;Ртр2 • а+о • +РС • «1/2=о

Г14)

(15)

(16)

Рупр - сила упругости пружины, Н;

Гтр2

силь: трения, Н; Р..

сила тяжести, Н; Рс - сила от воздействия

вакууметрическое давление, Н/м2: в термостатического сильфона, Н.

Сила от действия термостатического сильфона Рс, Н определяется в виде:

Е-Ло-п , (17)

где Е - модуль упругости, Н/м2; ц - коэффициент Пуассона; со - осевое перемещение, м; Ь0 - толщина стенки термостатического сильфона, м; п - число полных гофр термостатического сильфона; кс- эмпирический коэффициент.

Приняв, ЧТО 2 • кс

Р,= и

и, а со = у, то выражение (17) примет вид

(18)

возникающими при

Б-тр, и Ртр2 являются обобщенными силами трения, движении клапана с перекосом при наиболее неблагоприятном варианте.

Для раскрытия статической неопределимости при нахождении неизвестных величин выражений (14... 16) из принципа возможных перемещений клапана (рис. 8) составлено дополнительное уравнение элементарных работ, придав системе возможное движение относительно точки В.

Р.

н '¿Ш шм ^____1 #1

5

А. ^

А- вид перемещения; Б- расчетная схема Рисунок 8 - Схема возможных перемещений клапана

+ + + 0 (19)

Решая совместно уравнения (16) и (19), после преобразовании получим выражение для определения силы трения Н

Ртр = 1 ¿1 — (С + (20)

До начала охлаждения и укорачивания термостатического сильфона, когда Рс=0, клапан удерживается в верхнем положении за счет предварительного сжатия пружины, действующей с силой Рупр = с • у„, при этом у0- предварительное сжатие пружины, м. С учетом сказанного и уравнения (19) равновесия клапана будет

Рс (2Ь + 1) - С(2Ь2+1) - с • у0 (2Ь, + 1) + Р, = О (21)

А уравнение движения клапана с учетом того, что сила упругости К„ = с(Чт,+ у)примет вил - р

тй2у

— - иу {¿Ь2 + 1) + С(21г + 1) - су0 (2¿! + 1) - су (2^ + 1) + Р„ (22)

После преобразования с учетом выражения (21), имеем а2У «

= 0 (23)

где А - коэффициент равный А = + 1)

т

Обозначим § = Р, тогда Следовательно, уравнение (23) примет

вид:

г. ¿Р

Р^ = Л>' (24)

Проинтегрировав выражение (24), найдем общее решение-

Р*=А-у* + С1 ' (25)

Примем начальные условия, статическое равновесие при I = 0, пружина сжата

от воздействия клапана на у = Уо = тогда при у = Уо, скорость клапана

равна нулю: &\увуо = Р\у=уо = 0.

Заменив значения в выражения (26) определяем постоянную интегрирования

С, = - 4 ■ V2

Ч 'Ч Уо (26)

Подставив значения постоянной С, и Я в выражение (25), получим (Ц =_^

(27)

Интегрируя выражение (27) в пределах времени от 0 до Г и перемещение клапана от ус до у, получим время срабатывания клапана I, с:

1 . 'о

(28)

1 1 У+.]У2~У^ Уо

Клапан приводится в движение за счет сокращения длины термостатического сильфона из-за его охлаждения.

Уравнен:-!« работы термостатического сильфона можно определить по эормуле:

* Рук ¿V / \

' ^ + ^Р ~ Тб) = 0 (29)

л* Сж ~ теплогмкость рабочего тела (газоконденсата) термостатического сильфона, —; рж - плотность газоконденсата, кг/м3; гв - внутренний радиус термостатического сильфона, м; (3 - коэффициент объемного расширения, к6 -

коэффициент термостатического сильфона; Гс„, Тб - температура соответственно среды (молока) к термостатического сильфона, С.

Длина термостатического сильфона при доении изменяется от 1„ до 1тах. По завершению доения длина термостатического сильфона максимальная, а его температура разна температуре молока 37...38 С. По завершению доения клапан устройства зашиты вымени начинает движение за счет термостатического сильфона.

Тогда длина перемещения клапана, пружины и термостатического сильфона су№т равно "у", соответственно и скорости так же равны. В первом^приближении возникает возможность совместного решения уравнении (2 ), (¿8) и ич|, неточность результата устраняется вводом опытного коэффициента Решение имеет вид:

У 1 (1 -

дг

Сж гв'Рж..

ß-ч

■у о

<30]

где Л -

+1 -U 2

a-j

Выражение (30) позволяет определить время перемещения клапана н зависимости от разницы температур и конструктивно-режимных параметров устройства защиты вымени при холостом доении.

На рисунке 9 представлены графические зависимости времени движения клапана от дайны его перемещения при различных значениях разницы температур ДТ. _

о , 5 з У

-AT ■ 12 С

■ ■■■ AT = 22 С AT = 52 С

Рисунок 9 - Графические зависимости времени срабатывания устройства защиты вымени в зависимости от разницы температур и величины перемещения клапана

В третьем разделе "Экспериментальные исследования доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении" изложены программа и методики исследований, приведено описание лабораторных установок, представлены результаты исследований. Обработка опытных данных экспериментов проводилась с помощью программ «Microsoft Excel 2010», <«:Mathematica 9» и «Statistica 9». Исследования проводились в лаборатории доильного оборудования кафедры «Механизация животноводства» ФГБОУ ВПО РГАТУ.

По результатам лабораторных исследований проверки пригодности газонаполненного термостатического сильфона для доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении были получены графические зависимости величины перемещения штока от времени (рис. 101.

1 Нагревание • Охлаждение

О 50 100 150 200

Рисунок 10 - Графическая зависимость величины перемещения штока 1 от времени I

Анализ полученных результатов исследований показал, что термостатический сильфон характеризуется инертностью, от чего выключение пульсатора будет проходить с задержкой по времени. По зоотехническим требованиям передержки доильного аппарата на вымени выдоившейся коровы не должны превышать 60 секунд.

Поэтому при использовании термостатического сильфона в устройстве защиты вымени он выполняет функцию для запуска движения клапана, после чего клапан движется независимо от изменения длины термостатического сильфона.

По результатам исследований времени движения клапана внутри цилиндра при различных значениях вакуума в пределах рабочей длины 1 = 2...3-10"3 м построена графическая зависимость (рис. 11).

0,07

0,05

0,03

41 44 47 Р, кПа

Рисунок 11 - Графическая зависимость времени движения клапана в цилиндре I от вакуумметрического давления Р.

Анализ полученных результатов показал, что время движения клапана в цилиндре в пределах рабочего вакуума 47.. .50 кПа и составляет -0,03 - 0,05с.

Конструктивно-режимные параметры, при которых реализуется работоспособность доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении зависят, в первую очередь от температуры окружающей среды (х), уровня вакуума в системе (у) и усилия пружины клапана управляющей камеры (т.). Для

выявления рациональных конструктивно-режимных параметров и режимов работы доильного аппарата с защитой вымени от воздействия вакуума был проверен многофакторный эксперимент. Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 12.

з 4 А

Ё2 . 1Т ЛшИ I

1 - искусственное вымя, 2 - доильный аппарат, 3 - регулятор вакуума, 4 -вакуумметр, 5 - секундомер, 6 - электронный термометр КТЗ-00, 7 - ртутный

термометр ТЛ-2.

Рисунок 12 - Общий вид лабораторной установки В результате обработки результатов эксперимента на ЭВМ получена следующая адекватная модель регрессии для определения времени отключения пульсатора

в = -288.551 + 1.316* + 0.021*2 + 12.676у + 0.016ху - 0.148у2 + 0.5852 - 0.087^ + 0.073у2 + 0.03222

где х,у,г - значение факторов, в матрице плана они были обозначены Л,, л:, л3 соответственно.

Математическая модель позволяет получить расчетным путем численные значения времени отключения пульсатора в пределах варьирования уровней

факторов эксперимента.

С помощью компьютерной программы '^аНэПса" построены графические зависимости частных сечений при фиксированных значениях температуры окружающей среды, вакуумметрического давления и усилия создаваемого пружиной (рис. 13).

Для определения численных значений факторов, при которых реализуется работоспособность разработанного доильного аппарата с устройством защиты вымени и его соответствия зоотехническим требованиям, был проведен пошаговый метод оптимизации.

Рисунок 13 - Поверхности отклика, характеризующие время отключения пульсатора от вакуумметрического давления Р и от усилия создаваемого пружиной РУпр, при температуре окружающей среды Т = 15°С.

В результате пошаговой обработки полученных данных, при температуре окружающей греды в помещении 5...20 °С были определены рациональные численные значения факторов: рабочий вакуум 47...49 кПа, усилие пружины клапана 7.. .9 Н при этом время отключения пульсатора и перевод его на такт сжатия составит 15.. ,40сек.

Для проверки сходимости результатов исследований (рис. 14) представлены теоретическая и экспериментальная графическая зависимость времени отключения пульсатора от силы упругости пружины устройства защиты вымени.

Рисунок 14 - Сравнительные графические зависимости времени отключения пульсатора в зависимости от силы упругости пружины устройства защиты вымени

Данные графические зависимости показывают, что сходимость результатов достаточно высокая, отклонение в среднем не превышает 6%. Поэтому расчетные формулы могут быть использованы при обосновании конструктивно-режимных

9

«■Экспериментальная зависимость

Рулр,Н

ШТеоретическая зависимость

параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении.

В четвертом разделе "Производственные испытания и экономическая эффективность применения доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении " изложены программа, методика, результата производственных испытаний и расчет экономической эффективности использования разработанного

А

Рисунок 15 - Фрагмент производственной установки вымени при холостом доении - Б

- А; Устройство защиты

Производственные испытания разработанного доильного аппарата проводили на молочной ферме привязного содержания СПК "Ряжский Агроцентр" Ряжского района. На рисунке 15 представлены фрагмент производственной установки, а результаты производственных испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1- Результаты производственных испытаний

-- _____

Показатели

Типовая технология доения

Технология доення с разработанным аппаратом

Разница,

%

Количество коров в группе, гол

35

35

Количество молока от группы за дойку, кг

249,3

247.4

-1,12

Продолжительность доения, ч

1,61

1,36

Разовый средний удой на корову, кг

7,1

7,04

Общая продолжительность доення коровы, .ии»

6,2

5,68

Производительность оператора машинного доения, гол/ч

21,73

25,73

Затраты труда на доение чел.- ч/гол _

0,046

0,038

-15.52

-1,11

-838

+15,54

-17,4

В ходе эксперимента у коров при испытании разработанного доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении не было выявлено случаев заболевания маститом, а в контрольной группе их было четыре.

Производственные испытания показали высокую эффективность разработанного доильного аппарата.

Результаты расчета экономической эффективности показывают, что применение технологии машинного доения коров с разработанным доильным аппаратом позволяет получить годовой экономический эффект в размере 254210 в том числе 49900 рублей за счет снижения затрат на лечение мастита из расчета на 200 коров при сокращении затрат труда на 26,5%. Срок окупаемости составляет 0,3 года.

Заключение

1. Анализ процесса машинного доения при привязном содержании показал, что в группе коров, обслуживаемой дояром, из-за неравномерности продолжительности выдаивания коров, которую следует оценивать коэффициентом неравномерности к <1, невозможно избежать холостое доение при работе с типовыми доильными аппаратами. Так при работе дояра с тремя аппаратами при изменении значения коэффициента к от 0,9 до 0,6, доля коров подверженных холостому доению изменяется от 6 до 27%. Поэтому доильные аппараты должны обеспечивать защиту вымени от воздействия вакуума при холостом доении.

2. Доильный аппарат с устройством защиты вымени при холостом доении должен содержать доильные стаканы, коллектор, молочные и вакуумные шланги и пульсатор совмещенный с приставкой, с установленной в ней термостатическим сильфоном со штоком и присоской для взаимодействия с клапаном, размещенным в управляющей камере пульсатора. Клапан, опирающийся на пружину, содержит две рабочие поверхности: торцевую и боковую соответственно для перекрытая в крайнем верхнем положении отверстия, связанного с атмосферой и в крайнем нижнем отверстия канала управляющей камеры, переводящем пульсатор на такт сжатия.

3. Теоретически доказано, что на стабильную работу пульсатора при доении влияет диаметр отверстия канала в корпусе приставки, связанного с атмосферой, величина которого зависит от силы упругости пружины клапана и от значения вакуума в управляющей камере.

Теоретически установлено, что время срабатывания устройства защиты вымени при холостом доении, зависит от характеристик рабочего тела в термостатическом сильфоне, параметров пружины, вакуума в системе и разницы температур среды в молочной камере приставки и термостатического сильфона, чем меньше последнее, тем более инертно срабатывает устройство.

4. Установлено что газонаполненный термостатический сильфон обладает инертностью. В связи с чем, перемещение клапана для остановки пульсатора на такте сжатия по окончанию доения в пределах зоотехнических требованиях (t < 60 с) необходимо организовать в два этапа: первый запуск клапана в движение за счет изменения длины термостатического сильфона при его охлаждении, и второй -самостоятельное движение клапана.

В результате лабораторных исследований установлено, что при охлаждении термостатического сильфона с 38 °С в течение 50, 100, 150, 200с изменение длины его штока составило 0,25; 0,56; 1,25 и 1,76 мм соответственно.

Время движения клапана без участия термостатического сильфона зависит от величины действующего вакуума. При уровне вакуума 44, 47, 50 кПа и рабочей длине перемещения 2...3-10"3 м время движения клапана соответственно составило

0,03,0,05, 0,07с.

В результате многофакторного эксперимента установлены рациональные параметры, при которых реализуется работоспособность разработанного доильного аппарата с устройством защиты вымени. При температуре окружающей среды в помещении 5...20 °С, диаметры отверстий канала корпуса пульсатора, связанного с атмосферой 0,0025 м, и клапана 0,06м, рабочий вакуум 47...49 кПа, усилие сжатия пружины клапана 1...9 Н, при этом время отключения пульсатора и перевод его на

такт сжатия составит 15...40 с.

5 Производственные испытания показали, что разработанный доильныи аппарат во время работы обеспечивает стабильное выведение молока у коровы, а по завершению которого, останавливает свою работу на такте сжатия, тем самым обеспечивая защиту тканей вымени животного от воздействия вакуума при холостом доении. Применение разработанного доильного аппарата с защитои вымени повышает производительность оператора машинного доения на 15 5/о и снижает затраты труда на 17,5%. Внедрение доильного аппарата на молочной ферме с поголовьем 200 коров позволит получить годовой экономический эффект в размере 254210, при сроке окупаемости 0,25 года.

Перспективы дальнейшей разработки темы

В дальнейшей перспективе научных исследований необходимо уделить внимание разработке доильного аппарата с применением электронной автоматики со стимулирующим действием с одновременным его отключением по завершению молокоотдачи.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1 Карпов Ю.Н. Аппарат для доения коров при привязном содержании / Ульянов В.М., Карпов Ю.Н., Медведев H.A. - Механизация и электрификация

сельского хозяйства, №5, 2013, с. 12-14.

2 Карпов Ю.Н. Теоретические исследования устройства доильного аппарата для защиты вымени от вредного воздействия вакуума / Ульянов В.М., Костенко МЮ, Хрипин В .А., Карпов Ю.Н., Набатчиков A.B. // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева, № 1, 2015, с. 80-85.

3 Карпов Ю Н. Теоретические исследования доильного аппарата с изменяющимся центром масс/ Ульянов В.М., Хрипин В.А., Карпов Ю.Н., Набатчиков A.B. // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева, №4, 2014, с. 81-87.

4 Карпов Ю.Н. Экспериментальные исследования доильного аппарата с изменяющимся центром масс в производственных условиях/ Ульянов В.М., Хрипин В А Мяснянкина М.Н., Карпов Ю.Н., // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева", №3, 2014, с. 45-50.

в патентах на изобретения:

5. Патент Российской Федерации RU № 2493696 С1 Доильный аппарат // Ульянов В. М., Карпов Ю.Н., Коледов Р.В., Набатчиков A.B., опубл. 27.09.2013 Бюл. №27

6. Патент Российской Федерации RU № 2524542 С1 Доильный аппарат // Ульянов В. М., Карпов Ю.Н., Хрипин В.А., Набатчиков A.B., опубл. 27.07.2014 Бюл. №21

В других гаданиях:

7. Карпов Ю.Н. Доильный аппарат с устройством защиты вымени от вредного воздействия вакуума / Карпов Ю.Н. // Актуальные проблемы агроинженерии и их инновационные решения: Сб. науч. тр. // Ряз. гос. агротех.ун-т. - Рязань, 2013.-е. 119-122.

8. Карпов Ю.Н. Доильный аппарат с отключающим устройством / Ульянов В.М., Капров Ю.Н. // Материалы научно-практической конференции 2011г.: Сб. науч.тр. // Ряз. гос. агротех.ун-т. - Рязань, 2011. - с. 228- 230.

9. Карпов Ю.Н. Доильный аппарат с устройством автоматического снятия подвесной части с вымени животного/ Ульянов В.М., Карпов Ю.Н., Коледов Р.В., Медведев H.A., Десинов Д.Г. // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей: в 3 кн./ IX Международная научно-практическая конференция (5-6 февраля 2014 г.) Барнаул: РИО АГАУ, 2014. Кн. 3. 423с.

10. Карпов Ю.Н. Доильный аппарат с устройством отключения вакуума по завершению доения / Ульянов В.М., Карпов Ю.Н., Коледов Р.В., Набатчиков A.B. // По материалам научно-практической конференции "Инновационные направления и методы реализации научных исследований в АПК": Сб. науч. тр.// Ряз. гос. агротех.ун-т. — Рязань, 2012. - с. 108 -112.

11. Карпов Ю.Н. Обоснование конструктивно —режимных параметров доильного аппарата / Ульянов В.М., Костенко М.Ю., Карпов Ю.Н., Воронков P.A.. // "Образование, наука, практика: инновационный аспект": Сборник материалов международной научно-практической конференции, посвященной дню российской науки Т.2 // Пензенская ГСХА - Пенза, 2015. - с. 112 - 115.

12. Карпов Ю.Н. Совершенствования доения коров / Карпов Ю.Н.// Инновационные и нанотехнологии в системе стратегического развития АПК региона: Сб. науч. тр. // ТГСХА. - Тверь, 2013 . - с. 231 - 234.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная Усл. печ. л. I Тираж 100 экз. Заказ Xs 1256 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный агротехнологический университет им П.А. Костычева" 390044 г. Рязань, ул. Костычева. I Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГБОУ В110 РГ.4 ТУ 390044 л Рязань, ул. Костычева, I