Повышение эффективности функционирования доильных установок путём увеличения молоКопроводящей

На правах рукописи

Дейнега Александр Павлович

Повышение эффективности функционирования

доильных установок путём увеличения

молоКопроводящей способности

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тамбов 2010

работа выполнена в Государственном научном учреждении –

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии

сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН)

Научный руководитель:	Кандидат технических наук, доцент Михеев Николай Владимирович
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, профессор Ужик Владимир Фёдорович Кандидат технических наук, доцент Щербаков Сергей Юрьевич
Ведущая организация:	Тамбовский государственный технический университет

защита состоится 2 июля 2010 года в 1000 на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном образовательном учреждении Мичуринского государственного аграрного университета по адресу: 393760, г. Мичуринск, Тамбовская обл., ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мичуринского государственного аграрного университета, а с авторефератом – на сайте http://mgau.ru

Автореферат разослан 28 мая 2010 г. и размещен на сайте http://mgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных требований, предъявляемых к доильным установкам, является обеспечение стабильности вакуума.

Флуктуации вакуума, превышающие 2 кПа, приводят к нарушению режимов доения и, как следствие, к отрицательным последствиям: снижению интенсивности молоковыведения, заболеванию животных маститом или гиперкератозом.

В двухфазных молокопроводных системах нарушение стабильности вакуума происходит из-за возникновения пробкового режима движения молока, вызванного низкой пропускной способностью молокопровода или других элементов молокопроводной системы.

В реальных условиях эксплуатации доильных установок низкая пропускная способность молочных магистралей приводит к ухудшению качества процесса доения и, как следствие, к неполной реализации генетического потенциала животных, а также к снижению производительности труда операторов.

Поэтому задача повышения эффективности функционирования молокопроводных доильных установок путем создания структурно-технологических схем молокопроводов и элементов молокопроводной системы с повышенной пропускной способностью является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась по программе НИР РАСХН на 2005-2010 гг., задание 09.03.05.03 – «Разработать проект системы эффективного использования доильных машин и оборудования в молочном скотоводстве».

Цель работы. Повышение эффективности функционирования доильных установок путем увеличения пропускной способности молокопроводных систем.

Объект исследований. Процесс функционирования молокопроводных систем доильных установок.

Предмет исследований. Закономерности функционирования молокопроводных систем доильных установок.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось на основе моделирования процессов эвакуации молока с использованием методов математической статистики. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и экспериментальном образце счетчика - эвакуатора молока с применением аналогово-цифрового преобразователя, осциллографа и ПЭВМ. Данные теоретических и экспериментальных исследований обрабатывались на персональном компьютере.

Научная новизна

- теоретически обоснована конструктивно-технологическая схема счётчика-эвакуатора молока с повышенной пропускной способностью (патент № 2340168) и на его базе структурно-технологические схемы молокопроводных систем;

- аналитически обоснованы условия работоспособности счётчика-эвакуатора молока в зависимости от значений его конструктивно-режимных параметров;

- разработаны математические модели рабочего процесса счетчика-эвакуатора молока с повышенной пропускной способностью, обеспечивающие улучшение качества функционирования молокопроводных систем доильных установок.

Практическая значимость работы заключается в разработке на базе счетчиков-эвакуаторов молока структурно-технологических схем молокопроводных доильных установок, обеспечивающих улучшение качественных характеристик процесса доения и повышение производительности труда.

Реализация результатов исследований. С использованием результатов исследований разработан проект модернизации технологии доения и первичной обработки молока для ферм с привязным содержанием животных на 100 и 200 голов. Проект внедрен на двух фермах по 200 голов в ОАО Голицыно Никифоровского района Тамбовской области.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (Мичуринск 2007 г.), на конференции молодых ученых в ГНУ ВИИТиН 2007 г, на XI Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве – ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники» (Москва - Подольск ВНИИМЖ 2008 г.), на XIV международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Углич 2008 г.), на XII Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве – стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 г.» Москва – Подольск, ВНИИМЖ Россельхозакадемии 2009 г.), на заседаниях Ученого совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии 2007-2009 г.г.

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ. Техническая новизна работы подтверждена наличием патента РФ на изобретение.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- структурно-технологические схемы молокопроводных доильных установок с использованием многофункциональных счетчиков-эвакуаторов молока;

- конструктивная схема счетчика - эвакуатора молока с повышенной пропускной способностью;

- расходные и метрологические характеристики работы счетчиков - эвакуаторов молока;

- алгоритм поиска эффективных конструктивно-режимных параметров счетчиков - эвакуаторов молока.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 120 страницах, содержит 46 рисунков, 16 таблиц и 5 приложений. Список использованных источников включает 104 наименования. Общий объём диссертации, включая приложения, составляет 154 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, отмечена ее связь с программой НИР РАСХН и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ» представлен анализ проблемы повышения эффективности функционирования доильных установок, молокопроводных систем и их элементов.

Повышению эффективности функционирования доильных установок посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Аверкиева А.А., Винникова И.К., Дриго В.А., Зеленцова А.И., Карташова Л.П., Кирсанова В.В., Королева В.А., Кормановского Л.П., Огородникова П.И., Рейнеманна Д., Соловьева С.А., Ужика В.Ф., Цоя Ю.А., и др. В их работах обоснованы принципы построения структурно-технологических схем доильных установок, определены рациональные режимы работы и параметры функциональных блоков, выявлены основные резервы повышения эксплуатационно-технологических показателей.

Однако, выполненный анализ работ позволил установить, что пропускная способность молокопроводных систем ограничивается пропускной способностью первичных молокоприемников. Серийный счетчик молока АДМ-52.000 соответствует по пропускной способности молокопроводу диаметром не более 38 мм, причем возможности повышения его пропускной способности ограничены конструктивными особенностями. Увеличение сечения канала для доступа воздуха в мерную камеру приводит к нарушению работоспособности, увеличение сечения отверстия между мерной и приемной камерами к возрастанию силы, действующей на клапан при продувке со стороны мерной камеры, в результате чего счетчик становится неработоспособным из-за невозможности компенсации этой силы столбом жидкости над клапаном, а увеличение сечения отводящего шланга к снижению перепада давлений между мерной камерой и молокоприемником. Повышение эффективности функционирования доильных установок связана с совершенствованием структурно-технологических схем молокопроводных систем на базе счетчиков-эвакуаторов молока с повышенной пропускной способностью.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

- теоретически обосновать условия работоспособности счетчика-эвакуатора молока;

- установить взаимосвязь пропускной способности счетчика-эвакуатора молока с его конструктивно-режимными параметрами;

- исследовать экспериментально расходные и метрологические характеристики счетчика-эвакуатора молока;

- провести производственную проверку модернизированных доильных установок на базе счетчиков-эвакуторов молока и определить экономическую эффективность их использования.

Во второй главе «ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ МОЛОКОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК» предложены конструктивно-технологические схемы молокопроводов доильных установок с увеличенной по сравнению с классическими схемами пропускной способностью на базе счетчика-эвакуатора молока (рисунок 1).

Схема счетчика-эвакуатора молока (патент РФ № 2340168) представлена на рисунке 2.

Особенностью счетчика-эвакуатора молока является то, что он снабжен дополнительной управляющей камерой, предназначенной для перекрытия доступа воздуха в мерную камеру при ее продувке. Это обеспечивает его работоспособность и максимальный перепад давлений между мерной камерой и молокоприемником при любых сечениях отводящего шланга и отверстия между мерной и приемной камерами.

Условия работоспособности счетчика-эвакуатора молока определены из анализа сил, действующих на поплавково-клапанный механизм и клапан управляющей камеры (рисунок 3).

Условие работоспособности поплавково-клапанного механизма:

- закрытие клапана Fво > G или (Vк + Vп)ж > m, где Fво – выталкивающая сила при открытом клапане, G – вес поплавково-клапанного механизма, Vк – объем клапана, Vп – объем поплавка, m – масса поплавково-клапанного механизма, ж – плотность молока;

- открытие клапана G + Fс > Fвз или m + SкHж > Vпж, где Fс – сила давления на клапан столба жидкости, Fвз – выталкивающая сила при закрытом клапане, Sк – площадь клапана; H – высота столба жидкости над клапаном; Vп – объем поплавка.

Диапазон значений объема поплавка, обеспечивающий работоспособность поплавково-клапанного механизма:

, (1)

Условие работоспособности клапана управляющей камеры:

Sк(Ра - Pп) > Gк > Sк(Ра - Pм), (2)

где Sк – площадь клапана, м2; Ра – атмосферное давление, Н/м2; Pм – давление в мерной камере при эвакуации жидкости, Н/м2; Pп – давление в мерной камере при продувке, Н/м2.

Пропускная способность счетчика - эвакуатора молока определяется из выражения:

Qcч =Vм/tц, (3)

где Vм – объем мерной камеры, м3; tц - время цикла равное сумме периодов времени заполнения (tз), опорожнения (tо) и продувки (tп) мерной камеры, с.

Время заполнения мерной камеры определяется из выражения:

, (4)

где S1 – площадь сечения приемной камеры, м2; S площадь отверстия между мерной и приемной камерами, м2; – коэффициент расхода.

Значительное уменьшение времени заполнения мерной камеры можно достичь за счет увеличения площади отверстия между приемной и мерной камерами.

Время опорожнения мерной камеры рассчитывается из условия tо= Vм/Qж, где, Qж – расход жидкости определенный в соответствии с уравнением Бернулли.

(5)

где Qж – расход жидкости, м3/с; F1 – площадь сечения отводящего шланга, м2; Рм и Рр – давление соответственно в мерной камере и молокоприемнике, Н/м2; ж - плотность жидкости; 1- коэффициент расхода жидкости, Н – высота подъема молока, м.

Специфика процесса опорожнения мерной камеры заключается в том, что давление в ней зависит от площади отверстия для доступа воздуха и сечения отводного шланга. Величина этого давления определяется из уравнения:

, (5)

где F1 – площадь отверстия для доступа воздуха; Ра- атмосферное давление, кПа; в - плотность воздуха, кг/м3; k - показатель адиабаты.

Решение этого уравнения для заданных значений параметров процесса проводилось в среде MathCad. Результаты расчетов для рабочего вакуума 48 кПа приведены в таблице 1.

Увеличение интенсивности эвакуации жидкости из мерной камеры можно достичь за счет увеличения площади сечения отводящего шланга и площади отверстия для доступа воздуха.

Таблица 1 - Расчетные значения давления в мерной камере и расхода жидкости

Высота подъёма жидкости (H), м	Сечение отводящего шланга (F2), мм2	Площадь отверстия (F1), мм2	Давление в мерной камере (Pм), кПа	Расход (Qж), 10-3м3/с
2	150	9	79960	0,644
		18	88590	0,890
		47	98170	1,101
	250	9	75210	0,761
		18	82080	1,187
		47	93900	1,688