Для доения коров в стойлах коровников и родильных отделений при отсутствии подвесной линии типа EasyLine может использоваться передвижная индивидуальная доильная установка типа УДИ-5, представляющая собой простейшую ручную тележку, на которой смонтированы пневмодатчики, съемники и аппараты с молочными емкостями, подключаемыми к магистральному вакуум-проводу [69].
2.4 Обзор предшествующих исследований доильных автоматов и систем
Динамику доильных аппаратов с целью их совершенствования и автоматизации исследовали Е.В. Бенова [3], И.К. Винников [11, 38, 70], С.А. Дмитренко [71, 72], О.Б. Забродина [11, 73], В.А. Королев [74], В.Ф. Королев [14], Л.П. Карташов [75, 76], Э.И. Келпис [77], И.Н. Краснов [78], В.А. Петровский [79], А.А. Скроманис [80], У.Г. Уитллстоун [25], И.А. Хозяев [81] и другие отечественные и зарубежные ученые. Ими получены зависимости для определения частоты пульсаций, длительности и соотношения тактов, расхода воздуха, сил давления сосковой резины на сосок вымени, геометрических размеров доильных стаканов, соединительных трубок и других узлов и деталей доильных машин.
В частности, В.Ф. Королевым получена зависимость для определения времени истечения и наполнения воздухом управляющей камеры мембранного пульсатора с помощью логарифма Непера [14].
Им же получены формулы для определения наибольшего Р ср и наименьшего Р отп давлений в управляющей камере пульсатора:
2
⋅
Р d вк
Р ср = d 2м , (2.1)
2
Р ⋅ d нк
Р отп = d 2м , (2.2)
где d м, d вк , d нк – диаметры мембраны, верхнего и нижнего клапанов,
соответственно;
P , Р ср и Р отп – глубина рабочего вакуума, срабатывания и отпускания клапана в управляющей камере пульсатора.
Однако эти зависимости не описывают динамику процессов, не учитывают взаимной связи элементов их пневматических линий и в расчётах дают значительные погрешности.
Полученные А.А. Скроманисом [80] выражения для определения длительности тактов также основаны на определении времени истечения и наполнения воздухом управляющей камеры пульсатора, однако, при этом учитывалось и некоторое влияние, оказываемое на длительность процессов объемами межстенных камер доильных стаканов. Эти зависимости более точны, однако они весьма громоздки и неудобны для практического использования.
И.А. Хозяев для определения длительности переходных процессов в подсосковых камерах трехтактного доильного аппарата предложил следующие выражения [81]:
V
t = 1 − E
и ( 1 ) ,
µ⋅ F ⋅ R ⋅ B Θ
V Θ
м
t = 1 − E
нап ( 1 ) ,
k ⋅µ⋅ F ⋅ R ⋅ B ⋅ Θ 0
где V – объём подсосковых камер доильного аппарата;
E 1 – отношение давлений в системе;
-
F – площадь сечения молочного шланга;
-
R – универсальная газовая постоянная, Н∙м/(кг ∙0 К);
-
μ – коэффициент сопротивления молочного шланга;
-
B – коэффициент;
Θ0, Θ и Θм – абсолютные температуры воздуха в камере стакана,
коллектора и магистрали, °К;
- k – коэффициент, учитывающий характер термодинамического процесса;
t и и t нап – время истечения и наполнения воздухом подсосковых камер.
Эти выражения получены в предположении, что объём подсосковых камер не изменяется. На самом же деле он при наполнении меняется в значительных пределах, так как сосковая резина до этого процесса была сжата. Здесь, как и в выражениях, предложенных А.А. Скроманисом для определения времени переходных процессов в межстенных камерах [80], не учтено как изменение объёмов камер, так и наличие в линии не только сопротивлений по длине, но и местных, коэффициент истечения которых обычно приводится к площади сечения какого-то одного элемента линии.
И.Н. Красновым [78] был изучен процесс работы пульсатора и построены графики изменения давления в управляющей камере и камере переменного вакуума. Получены выражения для определения длительности переходных процессов в камерах доильных стаканов и соотношения тактов в предположении изотермичности процессов истечения и наполнения и адиабатичности изменения состояния газа в камерах. При этом учтена взаимная связь основных узлов аппарата. Однако эти формулы очень громоздки и сложны для практического использования.
Анализ работ, посвященных исследованию рабочих параметров доильных аппаратов, показал, что большое внимание исследователями уделялось динамике на основе статических характеристик доильного аппарата (длительности тактов, частоты пульсаций, времени переходных процессов, пропускной способности молочной линии и других параметров) и его узлов.
Динамика доильных аппаратов и их взаимодействие с выменем коровы не изучены полностью. В то же время применение классических методов исследования динамических систем, а именно, теории пневматических систем
автоматического регулирования, может существенно упростить теоретическое описание процессов, уменьшить объем экспериментальной работы. Так, чтобы получить переходные характеристики изменений вакуума в управляющей камере пульсатора достаточно изучить физику процесса, установить типы исследуемых звеньев (в данном случае камер пульсатора), записать их стандартные переходные функции, определить объёмы камер, предельные величины рабочего вакуума в камерах, проводимости дросселей и постоянные времени.
Например, камера пульсатора (пневматическая ёмкость) с дросселем на входе является апериодическим звеном первого порядка, следовательно, переходная функция этого узла имеет стандартный вид:
t
−
h ( t ) = K 1( − e T ) ⋅ (1 t ) ,
где К – максимальный перепад вакуума на дросселе, кПа;
t – текущее время, с;
Т – постоянная времени камеры, с,
V
Т ,
⋅ ⋅
= R Θ α
где V – объем камеры, м3 ;
Θ – абсолютная температура, К;
α – проводимость дросселя на входе камеры, м2 /c.
Преимущества средств вакуумной пневмоавтоматики в доении перед другими средствами автоматизации состоят в том, что они работают от вакуумного насоса доильной установки и не требуют дополнительного источника питания, им не нужны усилители и преобразователи сигналов.
В отличие от промышленной пневмоавтоматики, работающей на сжатом воздухе, в вакуумных средствах исключается скопление воды при засасывании из атмосферы влажного воздуха и даже влаги. При вакуумировании влажность воздуха резко снижается, и обеспечиваются отсос влаги и вакуумная сушка вакуумной системы. Более чем столетний опыт работы вакуумных доильных аппаратов показал их высокую надежность, по простоте, надежности и стоимости им альтернативы нет.
Кроме того, вакуумная пневмоавтоматика, имея неограниченные функциональные возможности, обеспечивает необходимые в доении плавность и мягкость хода рабочих органов, что позволяет создавать простейшие автоматизированные доильные аппараты и манипуляторы, обеспечивающие в процессе работы массаж вымени, контроль за процессом доения, своевременное машинное додаивание, отключение, снятие и вывод доильных стаканов из-под вымени коровы даже при доении их в стойлах [65, 66].
Принципиальная схема двухрежимного двух-трехтактного доильного аппарата представлена на рисунке 2.4.
