автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование конструктивных параметров и режимов работы вакуумной системы блочно-модульного типа для доильных установок молочных ферм и фермерских хозяйств

казанская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи УДК 631.17:621.521

ХИСМЕТОВ НИЯЗ ЗАЙНУЛЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК МОЛОЧНЫХ ФЕРМ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ

Специальность: 05.20.01. «Механизация сельскохозяйственного производства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный механизатор Республики Татарстан, кандидат технических наук, доцент Волков И.Е.

Казань - 1999

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................3

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........7

1.1 Развитие машинного доения.................................................7

1.2. Анализ эффективности функционирования вакуумной

системы доильных установок.............................................16

1.3 Обзор объемных вакуумных насосов, компрессоров и

воздуходувок.......................................................................24

1.4. Анализ основных теоретических и экспериментальных зависимостей для расчета шестеренчатого вакуумного насоса..................................................................................29

1.4.1. Анализ расхода и производительности шестеренчатых машин...................................................................................29

1.4.2. Анализ момента и мощности шестеренчатых машин. ...36

1.5. Задачи исследования..........................................................45

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ

ДОИЛЬНОЙ"УСТАНОВКИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА..47

2.1. Построение схемы источника вакуума доильной установки блочно-модульного типа.....................................................47

2.2. Изыскание и анализ способов повышения надежности машинного доения...............................................................52

2.3. Определение и обоснование производительности шестеренчатого вакуумного насоса..................................62

2.4. Обоснование параметров нагнетательных окон шестеренчатого вакуумного насоса...................................68

2.5. Аналитический метод определения момента сопротивления каждого ротора шестеренчатого вакуумного насоса.Обоснование момента инерции роторов..................74

2.6. Выводы по разделу..............................................................83

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................85

3.1. Программа экспериментальных исследований.................85

3.2. Описание опытного шестеренчатого насоса и экспериментального стенда...............................................85

3.3. Измерительная аппаратура и общая методика измерения параметров вакуумного насоса..............................90

3.4. Планирование эксперимента по исследованию шестеренчатого вакуумного насоса...................................98

3.5. Обработка результатов экспериментальных исследований и погрешность измерений.................................................104

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ........................................................................107

4.1. Влияние величины вакуума (Н), площади нагнетательного окна (Б) и расхода охлаждающей жидкости (д) на потребную мощность насоса................................................107

4.2. Влияние величины вакуума (Н), расхода охлаждающей жидкости (я) и площади нагнетательного окна (Э) на производительность насоса (О).....................................112

4.3. Влияние технологических параметров на температуру нагнетаемого газа.................................................................116

4.4. Обоснование режима работы вакуумного шестеренчатого насоса с водяным охлаждением......................................123

4.5. Влияние величины вакуума и вредного объема на температуру газа (Тг), производительность насоса (О), коэффициент наполнения (г^) и удельную мощность (дн)

при различных зазорах.............................................128

»

4.6. Результаты производственных испытаний вакуумной системы.......................................................................130

4.7. Экономическая эффективность применения вакуумного шестеренчатого насоса............................................132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ .........................................138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее ответственным процессом на молочных фермах является машинное доение. Эффективность процесса доения во многом зависит как от применяемой технологии, так и качества технических средств. [Админ Е.И., Карташов Л.П., Келпис Э.А., Кокорина Э.П., Королев В. Ф., Кормановский Л.П., Петухов H.A., Сафиуллин H.A., Цой Ю.А. и др.].[ 1; 41; 44;49;50;52;75;87;112]

Однако существующие доильные установки еще имеют целый ряд существенных недостатков. Наиболее слабо проработана вакуумная система. Поэтому не случайно в резолюции VII симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных (Ленинград, 19-22 апреля 1988 г.) отмечалось: «Усилить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию новых вакуумных насосов и систем для крупных молочных комплексов, мелких ферм и личных хозяйств, повысив их долговечность и надежность, снизив энергоемкость и металлоемкость, уменьшить уровень шума и исключить загрязнение окружающей среды».

За истекший период некоторыми исследователями были проведены работы по совершенствованию вакуумных систем в целом и вакуумных насосов в частности. Однако основные недостатки все еще не устранены. Поэтому можно утверждать, что актуальность резолюции VII симпозиума по машинному доению сохраняется и по сегодняшний день.

Исходя из выше изложенного, в диссертационной работе основное внимание было уделено совершенствованию источника вакуума доильных установок и рациональному построению вакуумной системы. Важным фактором надежного функционирования доильной уста-

новки является стабильный вакуум на всем протяжении эксплуатации насоса. Поэтому предложен новый тип вакуумного насоса, который имеет меньший износ рабочих органов, что не сказывается на снижении производительности и стабилизации вакуума.

Целью данной работы является повышение надежности функционирования вакуумной системы доильной установки блочно-модульного типа и улучшение энергетических показателей вакуумного насоса.

Научная новизна диссертации заключается в разработке математической модели надежности функционирования вакуумной системы и доильной установки блочно-модульного типа. Получены аналитические зависимости и экспериментальные данные, на основании которых обоснованы основные конструктивные параметры и режим работы двухроторного шестеренчатого вакуумного насоса.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований конструкторскими бюро при проектировании вакуумной системы доильной установки с шестеренчатым вакуумным насосом. Опытный образец шестеренчатого вакуумного насоса используется в КХК. «Гигант» Буинского района РТ.

На защиту выносятся: -математическая модель надежности функционирования вакуумной системы и доильной установки блочно-модульного типа; -конструктивная схема шестеренчатого вакуумного насоса; -результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных параметров и режимов работы шестеренчатого вакуумного насоса.

Работа выполнена на кафедре «Электрификация и механизация животноводства» Казанской государственной сельскохозяйственной академии в соответствии с планом научных исследований по научно-технической программе:» Разработка элементов системы машин для животноводства и кормопроизводства в условиях среднего Поволжья».

ГЛАВА I.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Развитие машинного доения.

Вакуумная доильная машина впервые была изобретена в Англии в 1851 году [95]. Однако на первом этапе машинное доение более активно развивалось в Северо-Американских Соединенных Штатах (CACLU), Швеции и Дании. Так, за период 1872-1901 годы только в САСШ было выдано 89 патентов на конструкции доильных машин. На мировом рынке доильные машины впервые появились в 1907 году, представленные Шотландской фирмой Дж. и Р. Уоллэс. В дальнейшем стали появляться машины, выпускаемые в Англии, САСШ, Швеции, Дании, Германии и некоторых других странах. Более активное развитие машинного доения присходило за период с 1906 по 1916 годы [98]. По данным В.Фрица в конце 1926 года только в США находилось в пользовании около 267 тысяч машин разных конструкций: Эмпайр - 50 тыс., Гинмэн - 40 тыс., Де-Лаваль - 35 тыс., Перфекшон - 30 тыс., Шарплес - 25 тыс., Универсаль - 20 тыс., БЛК -20 тыс., Найн Гри - 15 тыс., Сердж - 2 тыс., различные другие конструкции - 20 тыс.

Ниже приведены наиболее типичные доильные машины того времени. Исторически сложилось так, что в начале XX века первыми получили распространение передвижные и переносные доильные машины, у которых вакуумный насос обеспечивал работу одного или двух доильных аппаратов [98]. В начале XX века появилась передвижная доильная машина Шарплес (США) на два доильных

аппарата с одним ведром (рис. 1а). Позже стали выпускатся переносные доильные машины Блю-Риббон (США), которые с 1929 года продавались в Германии под названием электродоилки (рис. 16). К наиболее типичным относятся так же переносные доильные машины американского происхождения Гинмэн (рис.1 в) и Форд (рис.1 г). Иную конструкцию имеет передвижная установка Санитари - Дэйри-Мэйд (США, 20-е годы), у которой молочный бидон стоит в запирающемся ящике, а силовой агрегат закреплен на общей раме (рис.1д).

Другое конструктивное решение имеют п.ередвижные машины фирмы Гаскойн (Англия) для доения двумя аппаратами (рис.2 а, б). Здесь насос с электроприводом устанавливается под кожухом машины. Передвижные доильные аппараты с индивидуальным источником вакуума представлены на рис. 2 в, г, у которых напряжение подводится с помощью гибкого кабеля [52]. Передвижные доильные аппараты, работающие от индивидуального вакуумного насоса, представлены также на рис. 2 д, е [52].

В бывшем СССР малыми партиями выпускались передвижные доильные установки ПРУ-4, ПДА-1, «Маяк», СДМ-12 [112]. Промышленное производство передвижных малогабаритных доильных машин началось в конце 70х годов на заводе РЗДУ в городе Резекне (Латвия). Эта машина получила название АИД-1. Силовой агрегат и доильный аппарат монтировались на колесах. Агрегат АИД-1 мог использоваться в стационарном или передвижном режимах. Аналогичная доильная машина разработана в Венгрии под названием НТГ-1. Она обеспечивала производительность 6...7 коров в час, имела мощность электродвигателя 1000 Вт и массу 55 кг. Более компактная доильная установка разработана фирмой «Импульса» в Германии

Рис. 1. Передвижные доильные установки:

а) - Шарплес (США); б) - Блю-Риббон (США); в) - Гинмен (США);

г) - Форд (США); д) - Санитара-Дэйри-Мэйд (США)

в) г)

Рис. 2. Передвижные доильные машины:

а, б - Гаскойн (Англия); в - для доения во флягу; г, д, е - с одним аппаратом;

(рис.3). Мощность двигателя для привода вакуумного насоса составляет 550 Вт. Передвижная доильная машина Н-308 для доения двумя аппаратами разработана в Польше. Она имеет мощность электродвигателя 550 Вт. Определенный интерес представляет доильная машина для доения двумя аппаратами Gascogne-Melotte trolley Miluer, выпускаемая в Нидерландах. Однако на наш взгляд такая машина получилась громоздкой, что затрудняет ее эксплуатацию (рис.4). Громоздкие передвижные доильные машины УДИ-2 для доения двумя аппаратами выпустил завод Кургансельмаш. Значительный интерес представляют передвижные доильные машины УИД-10 (рис.5) и УИД-20 (рис.6) для доения соответственно одним и двумя аппаратами, выпускаемые АО «Брацлав» Винницкой области. Установленная мощность в обоих случаях составляет 550 Вт при массе соответственно 57 и 65 кг. Опытные доильные машины для доения двумя аппаратами разработаны в Казанском СХИ (1970 г.), для доения одним аппаратом с применением высокоскоростного двухроторного малогабаритного насоса [18], и для доения одним аппаратом с использованием водокольцевого вакуумного насоса (1980 г.) (рис.7). Определенный вклад в разработку доильного аппарата с индивидуальным источником вакуума внесли В.Ф.Королев, A.C. Веприцкий, И.Е. Волков, М.Л. Пейнович, К.С. Шаповалов и др. Однако в России и странах СНГ мелкие фермерские хозяйства только начинают создаваться, поэтому малогабаритные доильные машины еще не нашли широкого спроса.

В большинстве стран и в России основным видом являются стационарные доильные установки, у которых один или несколько вакуумных насосов обеспечивают работу целой группы доильных

Рис. 3. Передвижная доильная установка со сбором молока во фляги «Мелькфикс»

Рис. 4. Передвижная доильная установка фирмы Оазсо1дпе-Ме1оКе

Рис. 5. Доильная установка УИД-10

Рис. 6. Доильная установка УИД-20

Рис. 7. Переносной доильный аппарат Казанского СХИ

аппаратов. В зависимости от технологии, различают доильные установки для доения в коровнике непосредственно в стойлах, для доения на специальных площадках или залах, а также для доения на пастбищах. На сегодняшний день в мире существует огромное множество различных видов доильных установок. Достаточно назвать наиболее известные фирмы, которые производят доильные установки и оборудование по переработке и хранению молока. К ним относятся: США — Milking System (Washington); доильные установки фирмы SURGE;

Англия — доильные установки фирмы «Fullwood»;

Германия — доильные установки «Jmpulsa», — «WESTFALIA SEPARATOR» Швеция —доильные установки фирмы «ALFA - LAVAL» Новая Зеландия — доильные установки фирмы «Bodmin Nu Pulse»; Япония — доильный аппарат и автоматический детектор маститов «Checkgate»;

Россия — доильные установки завода «Кургансельмаш» для доения

как в стойлах, так и на специальных площадках.

»

Производство различных типов доильных установок налажено также в ряде Европейских стран и странах СНГ.

Начало развития машинного доения в СССР относится к 20 годам XX столетия [12]. Было завезено около 120 зарубежных доильных установок. Однако в то время не было квалифицированных кадров, которые могли бы грамотно монтировать и эксплуатировать привезенные доильные установки. Поэтому вскоре перешли к ручной дойке. Крупным толчком в развитии отечественного производства

доильных машин явилось постановление в 1930 г. Совета Труда и Обороны. В соответствии с этим постановлением в 1932 г. Пермский машиностроительный завод выпустил 450 агрегатов «Темп». Но в процессе эксплуатации агрегатов был выявлен ряд крупных недостатков, в результате чего прекратили их выпуск [12].

С 1932 г. доработкой доильного агрегата «Тепм» занялся научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, где были созданы 2 группы исследователей. Группу физиологов возглавил академик А. Леонтович, а группой конструкторов руководил инженер Аронович.

С целью создания безопасного для здоровья животных доильного аппарата, инженер Королев В.Ф. совместно с Красновым B.C. и Мартюгиным Д.Д. сконструировал трехтактную доильную машину ДА-3. В дальнейшем на базе ДА-3 были созданы доильные аппараты ДА-ЗМ и несколько позже в 1962 г. после государственных испытаний был рекомендован к производству доильный аппарат «Волга».

С начала 70х годов появились двухтактные доильные аппараты — ДПР-2 (Скроманис A.A. 1964; Скроманис A.A., Келпис Э.А. 1964), ДА-2 «Майга» (Зальцманис Г. 1964) и др.

В 80х годах появилась низковакуумная доильная установка (Зви-няцковский В.Г., Керимов Н.) с новым вакуумным регулятором и усовершенствованным коллектором. В это время был разработан доильный аппарат АДУ-1, который получил широкое распространение в доильных установках различного типа.

Большой интерес представляет доильный аппарат АДС-1 (Петухов H.A., Петухова P.C. и др. 1981), более активно стимулирующий

рефлекс молокоотдачи колебанием сосковой резины с частотой 10 Гц.

К концу 80х годов в результате накопленного научного материала и практического опыта в СССР была создана необходимая база для производства доильных установок различных типов: для доения на площадках УТД-6 и УДЕ-8А; для доения на пастбище УДС-ЗА; для доения в коровнике АДМ-8А и ДАС-2Б. В настоящее время в России выпускаются доильные установки для доения в молокопровод АДМ-8А, для доения на площадках установка «Тандем-автомат» УДА-8А, установка доильная «Елочка-автомат»УДА-16А, передвижная доильная установка для доения на пастбищах УДМ-Ф-1. В Латвии выпускается целый ряд доильных установок для доения в молокопровод АДМ-Ф-4. На Украине разрёботаны и выпускаются доильные установки для доения в переносные ведра УДВ-Ф-10, УДВ-Ф-20, УДВ-100. Брацлав-ский опытный завод выпускает установки индивидуального доения УИД-10С и др. Производство доильных установок осуществляется на целом ряде опытных заводов России и Украины.

1.2. Анализ эффективности функционирования вакуумной системы доильных установок.

На современном этапе промышленностью разных стран выпускается значительное множество доильных установок. В связи с этим возникла необходимость их классифицировать. Так, В.П. Похвален-ский предлагает классифицировать доильные установки по способу доения, а C.B. Мельников