Машинногодоения коров путемразработки стимулирующе-адаптированныхдоильных аппаратов и манипуляторов

(16)

гдеС постоянная интегрирования.

Выражение (16)характеризует взаимосвязьконструкторско-режимных параметровотключающего устройства стимулирующейсекции пульсатора. Задавшись конструкциейковша и временем его наполнения,определяют площадь отверстия в ковше длясвоевременного включения или отключениястимулирующегопульсатора.

При извлечении молока укоров двухтактными доильными аппаратаминаблюдается чрезмерное наползаниестаканов на соски и, как следствие,преждевременное прекращениемолоковыведения. Оттягивание вниздоильных стаканов руками, предотвращающеенаползание, требует значительных затратвремени.

А.Б.

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

Наползание стакановна соски происходит при такте сосаниядоильного аппарата. При тактесосания под соском действует вакуум,вызывающий силу присасывания стакана Рн1(рис. 12А), направленную вверх. Приперемещении стакана по соску возникаетсила трения Fт1,препятствующая движению. Кроме того, отмассы доильного стакана возникает силатяжести G1.Также действует сила от давлениянатянутой встакане сосковой резины Рс1, что вызываетсопротивление упругости тканей соска этому обжатию Ру. Вприсоске происходит деформация утолщеннойзоны сос-

ка и появление силыРсп, препятствующей движению стаканавверх.

Уравнения равновесиясил, действующих на сосок:

; (17)

Так как нормальнаяреакция соска равна силе упругости , то выражение для определения силытрения запишется как

где f1 коэффициенттрения сосковой резины о поверхностьсоска; рsсреднее давление резины на сосок, Па; d,l1 соответственнодиаметр и длина соска, охватываемаясосковой резиной без учета высотыприсоска, м.

Силу присасывания можноопределить через величину вакуума под соском, т.е. . Силатяжести стакана определится как (m массаподвесной части доильного аппарата,приходящая на один стакан,кг). Силусопротивления вертикальному перемещениюстакана в области присоска

где рвп разрежение вполости присоска, Н/м2; f2 коэффициентсопротивления перемещениюстакана; kкоэффициент, учитывающий площадьутолщенного участка соска, участвующуюв сопротивлении перемещению стакана; d1диаметрутол-щенной части присоскаего, м;l2 рабочая высота присоска,м.

Для простоты расчетовможно принять, что коэффициенты тренияf1 = f2. После подстановкисоставляющих величин, входящих в формулу(17) получим, решая относительно массыстаканов:

(18)

Масса подвесной частидоильного аппарата должна подбиратьсятаким образом, чтобы стаканы с однойстороны не наползали на соски, а сдругой не спадали с сосков. Спадание доильных аппаратов свымени происходит обычно при тактесжатия.

С наступлением такта сжатиясмыкание стенок сосковой резиныпервоначально происходят под соском, а затемраспространяется вверх. Следует заметить,что у цилиндрической сосковой резинысмыкание стенок происходит не полностью.Моделирование путем построениягеометрических кривых сжатия соска присмыкании стенок сосковой резины показали,что площадь торца (кончика) соска уменьшается в2,7…3,0 раза по сравнению спервоначальной. При диаметре соска 25 мм ивакууме подсоском 48 кПа во время такта сосания,действующая сила на стакан вверх, составит, апри такте сжатия будет всего .

У стандартного доильного стаканарезина защемлена на концахи при смыкании ее стенок сжатие соска происходит под углом (рис. 12 Б). На сосокдействует сила от давления сосковой резины, что вызываетсопротивление упругости тканей соска. Суммарнаявыталкивающая сила, состороны соска на стакан,направлена вниз, а со стороны сомкнувшейсярезины вверх. Целесообразно суммарнуювыталкивающую силу разделить насоставляющие: боковую, возникающую отреакции боковой поверхности соска равную и торцевую ,действующую на верхушку соска. Давление стеноксосковой резины на сосок по длинеразличное. Наибольшее давлениенаблюдается на верхушку соска при смыканиистенок сосковой резины. Поэтому стакан начинаетперемещаться по соску вниз. Движениестакана по соску приводит к появлению силытрения , направленнойвверх под углом квертикали.Кроме того, от массы доильного стаканавозникает сила тяжести .Результирующую силу Рсп, возникающую в присоске, примемравную по величине, что и при такте сосания,но направленнуюпротивоположно, так как стакан по соскуперемещается вниз.

Уравнение равновесиясил действующих на сосок при тактесжатия

(19)

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

(20)

где , соответственнодавление сосковой резины на боковуюповерхность соска и его верхушку, Н/м2; Sт площадь торцевойповерхности присоска, м2.

Решая выражение (20)относительно массы, получаем:

(21)

Выражение (21) позволяет вычислитьмассу стаканов, которые устойчивоудерживаются на сосках при такте сжатияработы доильного аппарата. Подстановкачисленных значений в формулы (18) и (21)позволила получить величины прикоторых стаканы ненаползают навымя коровы, и обеспечивается полное выдаивание молокабез затрат ручного труда масса подвеснойчасти доильного аппарата должна бытьоколо 5 кг, а для надежного удерживаниястаканов на вымени при такте сжатиянеобходима – 2,5 кг. Масса подвесной частисерийных доильных аппаратов колеблетсяот 2 до 3,0 кг. Что говорит обне оптимальном ее значении, которое приводит при доении кнаползанию стаканов на соски вымени.

На наш взгляд, придоении следует автоматическиперераспределять оттягивающее усилие насосках в зависимости от такта работыаппарата. Подвесная часть такогодоильногоаппарата представлена нарисунке 13.

А.Б.

Рисунок 13 Подвеснаячасть доильного аппарата: принципиальнаясхема (А); общий вид (Б);

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

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

После подключениядоильного аппарата к источнику вакуума,оператор надевает стаканы на соски выменикоровы. Пульсатор подает одновременно в камеру 12распределителя воздух, а в камеру 11 – вакуум. Вакуум изкамеры 11 по патрубку 15 поступает в межстенные камерыдоильных стаканов 1, в этой доли вымени наступаеттакт сосания. Воздух из камеры 12 попатрубку 16 подается в межстенные камерыстаканов 2 другой половины вымени, гденаступает такт сжатия. Одновременно вакуум поканалу 13, а воздух по каналу 14 поступаютсоответственно в камеры 8 и 9 цилиндра6. От возникшего перепада давленийпоршень 7 перемешается в крайнеелевое положение, происходитперераспределение массы коллектора,действующей на доильныестаканы. Под стаканами 1появляется сосредоточенная сила тяжестиот поршня 7, что исключает их наползание насоски вымени. Под стаканами 2 значение силы тяжестипропорционально уменьшается, чтоспособствует их надежному удерживанию насосках вымени при снижении вакуума под ними отсмыкания сосковой резины в такте сжатия.При переключении пульсатора происходитпротивоположная замена тактов. Встакане 2 наступает такт сосания, а встакане 1–такт сжатия и соответственноперераспределение массы вколлекторе, действующей на доильныестаканы 1 и 2. От изменения положения центра массколлектора происходит егораскачивание, передающееся на вымя, чторасценивается как положительный фактор,стимулирующий молокоотдачу иувеличивающий полноту извлечения молока.

В виду сложностианалитического рассмотрениявзаимодействия подвесной частидоильного с выменем коровы, вдиссертационной работе приняты допущения.Трубки, соединяющие стаканы сколлектором приняты в качественитей, массакоторых сосредоточена в коллекторе,а его цилиндр представлен в виде направляющей

по которой перемещаетсяпоршень.

Прираскачивании подвеснойчасти аппарата соски выменисовместно с доильными стаканами изменяютсвой угол наклона относительно вертикали (рис.14).

Допустим значениереакций со стороныколлектора таковы, что стаканы будут неподвижнына

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

Рисунок14 – Расчетная схема взаимодействия подвесной части с выменемудобно

подвесной частидоильного аппарата с выменемрассматривать поэтапам.

Выберемпроизвольное положение системы и приложимдействующие силы. При подключении доильногоаппарата к вакууму, перепад давленийпередается на поршень, он приходит вдвижение понаправляющей, от чего изменяетсяположениецентра масс системы. При этом поршень инаправляющая перемещаются в противоположныестороны. Так как направляющаязафиксирована концами на подвесах (молочных трубках),то происходит их отклонениес увеличением угла поворота относительновертикали.Поршень совершает относительное движениепо направляющей, которая в своюочередь совершаетпоступательное движение.

Уравнениеотносительного движения поршнябудет

(22)

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

С учетом значенийвходящих сил в формулу (22), получим

(23)

где величина вакуума,Н/м2; S1площадьторца поршня, м2; tвремя, с; f коэффициент трения поршня о цилиндр; эмпирический коэффициент.

Для определениядвижения системы в целом, воспользуемсятеоремой о движение центра масс,имеем:

(24)

(25)

где координаты центрамасс системы направляющаяпоршень, м; соответственномасса поршня ивсей остальной системы (корпус коллекторас молочными патрубками), кг.

Приэтом;(26)

где расстояние от концацилиндра коллектора до поршня, м; координаты центратяжести соответственно поршня и корпусаколлектора, м.

Продифференцировавдважды выражения (26) и подставив вуравнения (24), (25), решая совместно, имеем

(27)

Подставивускорениеиз выражения (23) вформулу (27), получим:

(28)

Нелинейное уравнениеможно решить численно с начальнымиусловиями . Если принять,что угол мал(рассматриваются малые колебания, что внашем случае вполне уместно) и, пренебрегаямалыми величинами, получим упрощенноевыражение колебания подвесной частидоильного аппарата

(29)

Введемобозначения:

, (А>0), (В>0).

Тогда выражение (29) будетиметь вид

(30)

Применяя стандартныеправила решения таких уравнений, получаем закон изменения углаотклонения

(31)

Решая совместновыражения (23) и (31) получаем закон движенияпоршня в цилиндре коллектора:

где ;(32)

При достижении поршнемкрайнего положенияпроисходит удар о торцовую стенкунаправляющей (рис. 15). От чего увеличение угла поворота прекращается, ондостигает максимального значения. Ввиду того, что напоршень продолжаетдействовать сила от пере-пада давлений,то при ударе поршень остается у торцевой стенки.Удар Рисунок 15 – Схема к расчету можно считать неупругий. Отполучен-

ного импульса направляющаясовместно с поршнем начинают двигатьсяв обратном направлении с одной скоростью,горизонтальная проекциякоторой составляет u. Угол уменьшается, движениесистемы при этом будет только поступательное, так как поршень относительно направляющейостается неподвижным.

Из теории удара будемиметь

(33)

где ,соответственноскорость поршня и остальной системы,м/с, .

Из выражения (33) находимскорость системы после удара:

(34)

Наиболее вероятнымявляется движение всей системы внаправлении движения поршня доудара.

Приняв, что вся массасистемы сосредоточена в точке центра массС(C0 ),применим теорему об изменениикинетической энергии.

(35)

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

Учитывая, что ,преобразования выражения приводят куравнению:

= (36)

где а постоянная, равная .

Интегрируя выражение(36), получаем

(37)

где

Выражение (37) определяетзакон изменения угла поворота подвесовсистемы при ее совместном поступательномпереносном движении. Угол поворотаподвесов и перемещение направляющейпоршня зависит от начальнойскорости , циклическойчастоте и сдвига фазколебаний .

Начальная скорость,входящая в выражение (37) определяется повыражению:

(38)

Для определения реакцийподвесов рассмотрим движение точки С, гденаходится центр сосредоточения масссистемы (рис 15). Обозначим через угол отклонения подвесов от вертикали внекоторый момент времени, когда точкацентра масс системы занимает положениеточки С.

По принципу Даламбера сила тяжести , реакции подвесов ,, касательная силаинерции , центробежная сила будут находиться вравновесии

(39)

где координаты центрамасс системы, м.

Подставляя значения силвходящих в систему (39), и решая относительнореакций , ,получаем:

(40)

(41)

Повыражениям (40) и (41) определяются реакции насоски со стороны колеблющегося коллекторадоильного аппарата при совместномпоступательном движении поршня снаправляющей.

Продолжительностьсовместного поступательного движениясистемы

(42)

По истечении этоговремени пульсатор переключиться дляизменения тактов и перепада давлений,действующих на поршень. Поршень инаправляющая снова перемещаются впротивоположные стороны. Угол увеличивается относительновертикали, но в противоположную сторону.Закон изменения колебаний системы будетпроисходить аналогично начальному этапудвижения поршня, только при решениивыражения (30), изменятся начальные условия.Если за начало данного этапа принятьt=0, то , Начальная угловая скорость системыявляется конечной скоростьрассмотренного ранее этапа при достиженииугла , тогда уравнение(31) будет

(43)

Выражения (31) и (43) дляопределения угла поворота подвесовколлектора отличается друг от друга членом. При установившемсядвижении коллектор доильного аппаратабудет отклоняться при работе на угол, определяемый по формуле (43).

Созданиемалогабаритного и эффективногоисполнительного механизма переносногоманипулятора доения для линейных доильныхустановок важная проблема. Она может быть решена наоснове пневмодвигателя, разработанногопод руководством автора. Пневмодвигатель(рис. 16)оригинальнойконструкции (патент РФ №2203535) содержиткорпус 1, внутри которого размещенацилиндрическая камера 2 с эксцентричноустановленным ротором 3. На валу роторашарнирно одним концом закрепленылопатки 4 криволинейной формы. Подвеснаячасть доильного аппаратаподнимается с помощью гибкой нити 5, наматываемойна барабан 6, соединенный сротором через малогабаритный планетарныйредуктор 7. Двигательработает от вакуума, действующего на лопатки.Подвод вакуума происходитчерез патрубок. Воздух поступает в камеручерез отверстие в корпусе.

Криволинейные лопатки нетребуют замены в течение всегоэксплуатационного

срока службыпневмодвигателя. Пневмодвигатель обладаетмалой массой, чтоважно, таккак аппарат переносится при работе за счетмускульной силы дояра. Он можетприменяться в качестве исполнительногомеханизма манипулятора переносногодоильногоаппарата на доильных установкахс молокопроводом (АДМ-8А, УДМ-200).

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

Рисунок 16 Конструктивная схемапневмодвигателяманипулятора.

Доильный аппарат(рис. 17) содержит стаканы 1 (патент РФ № 2215408), коллектор 2, пульсатор 3, молочный ивоздушный 4шланги и манипулятор,включающий пневмодвигатель (патент РФ№2203535) 5, пневмодатчик 6 с клапаном 7.Пневмодвигатель связан гибкой нитью 8 сколлектором.

А.Б.

1 доильный стакан; 2 коллектор; 3пульсатор; 4 шланги; 5 пневмодвигатель;

6 клапан; 7 пневмодатчик; 8 гибкая нить.