С. М. Ведищев - "Механизация доения коров" (учебное пособие). Глава 2. Доильные машины.

Главная » История доения » С. М. Ведищев - "Механизация доения коров" (учебное пособие). Глава 2. Доильные машины.

ДОИЛЬНЫЕ МАШИНЫ 

2.1 Схема доильной машины и расчет расхода воздуха

Машинное доение облегчает работу людей и повышает производительность труда. В доильной машине имеются исполнительный механизм, трансмиссия и двигатель. Главные ее части - вакуумный насос, вакуум- провод и доильный аппарат. Вакуумный насос служит для откачивания воздуха и создания вакуумметрическо­го давления в доильном аппарате. Связующим звеном между вакуумным насосом и доильным аппаратам явля­ется вакуум-провод, по которому вакуумметрическое давление от вакуумного насоса распространяется в до­ильные аппараты.

Главной исполнительной частью доильной машины является доильный аппарат, который непосредственно контактирует с животным, отсасывая молоко из вымени коровы.

Доильные машины, выпускаемые промышленностью, в основном удовлетворяют зоотехническим требо­ваниям. При выполнении оператором машинного доения технологической дисциплины они обеспечивают пол­ноевыдаивание и совершенно безопасны для коровы.

В состав доильной машины (рис. 2.1) входит: вакуумная установка, включающая вакуумный насос 1 с электродвигателем, глушителем и предохранителем 2; вакуум-балон 8; вакуум-провод с вакуумметром 3 и ва­куум-регулятором7; доильные аппараты 5, подключаемые к вакуумной линии через вакуумные краны 4.

Рис. 2.1 Схема доильной машины

Технологический процесс работы доильной машины происходит следующим образом. Создаваемое ваку­ум-насосом разрежение распространяется через вакуум-баллон по вакуум-проводу через открытые вакуумные краны в доильные аппараты, обеспечивающие процесс доения и сбора молока в доильном ведре 6. При работе доильных установок с молокопроводом молоко из доильного аппарата отсасывается в молокопровод, по кото­рому воздушным потоком транспортируется в молокоприемник.

Одним из основных конструктивных звеньев доильной машины является вакуумная линия. Величина ра­бочего вакуума в подсосковой камере доильного стакана существенно влияет на молокоотдачу коров и на про­цесс машинного доения. Уменьшение этой величины приводит к изменению технических показателей доиль­ных аппаратов, к нарушению стереотипа доения и торможения рефлекса молокоотдачи, а следовательно, к снижению продуктивности коров.

При увеличении рабочего вакуума животные испытывают неприятные ощущения. Кроме того, доильные стаканы под действием высокого вакуума наползают на соски, перекрывают молочные каналы, что приводит к заболеванию вымени.

Потребная подача вакуумного насоса включает в себя расход воздуха доильными аппаратами и системой вакуумпровода, зависящих от глубины вакуума, частоты пульсаций, типа доильного аппарата и вместимости камер и трубок, в которых действует переменное разрежение.

Примем процесс расширения воздуха при откачивании его из камер доильных стаканов изотермическим, а суммарную вместимость этих камер для одного аппарата равной Va 3). Объем воздуха, Vh, м3 после расшире­ния по закону Бойля-Мариотта составит

где рб - барометрическое (атмосферное) давление, кПа; Va - начальный объем воздуха в камерах при атмо­сферном давлении, м3; Ph- атмосферное давление в камерах при вакууме h, т.е. после откачивания воздуха, кПа.

Абсолютное давление после откачивания равно

а соответствующий объем воздуха определяем из соотношения

Объем воздуха Vц, подлежащий откачиванию за один цикл работы аппарата, получается из равенства

Подставим в выражение (7) равенства (5) и (6) и найдем объем воздуха, приведенный к атмосферному дав­лению, откачиваемый за один пульс

Из формулы (8) следует, что при вакууме, равном 52 кПа, необходимо откачать около половины всего воз­духа, находящегося в камерах стаканов и в шлангах переменного вакуума доильного аппарата.

Объем аппарата "Волга" составляет 0,7 дм3, тогда при вакууме 52 кПа расход воздуха за один цикл соста­вит 0,35 дм3. При частоте пульсаций 1 Гц и работе 10 аппаратов расход составит 0,0035 м3/с. По результатам экспериментальных данных действительный расход воздуха превосходит теоретический на 35 % и составит 0,0047 м3/с.

Приближенно потребный расход воздуха, Q, м3/с, вакуумной системой можно определить по формуле, ре­комендованной ВИЭСХом,

где 1,35 - коэффициент, учитывающий несовершенство конструкций пульсатора и коллектора, выражающееся в протечке воздуха, при переключении клапанов; v- частота пульсаций, Гц; Va - начальный объем воздуха при атмосферном давлении, заключенный в камерах и трубках одного доильного аппарата, м3; А - коэффициент, учитывающий протечки воздуха из вакуумной системы вследствие ее недостаточной герметичности.

Коэффициент А находится по формуле

где Σα - суммарные потери, которые составляют по экспериментальным данным: α1 = 10 % - утечки воздуха через зазоры в соединениях труб и в кранах; α2 = 5 % - подсосы воздуха через зазоры между сосками вымени и сосковой резиной стаканов; α3 = 20 % - подсосы воздуха через доильные стаканы при надевании их на соски; α4 = 25 % - подсосы воздуха при случайном спадании шлангов с воздушных кранов вакуум-провода и обусловлен­ном им спадании стаканов; α5 = 20 % - потеря подачи из-за перегрева насоса при длительной работе.

2.1    Вакуумные установки

 

Для создания разрежения при работе доильной машины используют воздушные установки, состоящие из вакуумного насоса, вакуумного балона-ресивера, вакуум-регулятора, вакууметра, системы трубопроводов с арматурой и двигателя, которые делятся на ротационные, поршневые и эжекторные. В свою очередь ротацион­ные вакуумные насосы подразделяются на лопастные, водокольцевые, типа Рутс и другие. Наибольшее распро­странение на фермах получили ротационные лопастные вакуумные установки марки УВУ-60/45 и водокольце­вые воздушные насосы ВВН-3, ВВН-6, ВВН-12.

Принцип действия эжекторных (струйных) насосов следующий. Когда жидкость (или газ) протекает по трубе, имеющей сужение, давление в сужении оказывается ниже, чем в остальных частях трубы (если при этом скорость потока в сужении не достигает скорости звука). Впервые это было установлено итальянским физиком Дж. Вентури (1746-1822), по имени которого была названа трубка, основанная на данном явлении. Если отка­чиваемый объем присоединить к трубе в месте ее сужения, то газ из него будет переходить в область понижен­ного давления и уноситься струей жидкости. Эжекторные (струйные) установки крепятся на выхлопной трубе трактора и разрежение создается за счет скоростного потока выхлопных газов.

Ротационная лопастная вакуумная установка типа УВУ включает в себя (рис. 2.2) электродвигатель 1, вакуумный баллон 3, регулятор вакуума 4, вакууметр 6, вакуумпровод5, вакуумный насос 2. При частом от­ключении электроэнергии может комплектоваться резервным двигателем 7 внутреннего сгорания. Унифициро­ванный насос УВУ-60/45 работает при вакууме 53 кПа с воздухопроизводительностью 60 и 40 м3/ч. Для полу­чения требуемого расхода изменяют частоту вращения ротора постановкой шкивов разного диаметра на вал электродвигателя.

Рис. 2.2 Общий вид вакуумной установки УВУ 60/45

Насос вакуумный пластинчато-роторный предназначен для эксплуатации в районах с умеренным клима­том на открытом воздухе в диапазоне температур от минус 10° до плюс 40 °С и высоте над уровнем моря не более 1000 м, выпускается в четырех исполнениях.

Внутри чугунного цилиндрического корпуса 22 (рис. 2.3) с ребристой поверхностью для лучшей тепло­изоляции вращается ротор 17. Ротор имеет четыре паза, в которых свободно перемещаются текстолитовые ло­патки 16. Ротор вращается в шарикоподшипниках 14, установленных в посадочных отверстиях крышек 12 и 19, расположенных эксцентрично относительно оси корпуса. Подшипники со стороны внутренней полости насоса закрыты шайбами 15. Для ориентации крышек относительно корпуса при сборке насоса установлены штифты 5. Направление вращения ротора указано стрелкой на корпусе насоса. В зависимости от исполнения насос име­ет один или два выходных конца ротора.

В средней части цилиндрического корпуса имеются выхлопные окна, которые соединяются с выхлопной трубой рамы. На конец выхлопной трубы насаживают глушитель, корпус которого заполнен стекловатой для задержки отработавшей смазки.

Технологический процесс работы вакуумной установки происходит следующим образом. При вращении ротора 17 (рис. 2.3) лопатки 16, под действием центробежных сил прижимаются к корпусу 22, и образуют замкнутые пространства, ограниченные ротором 17, корпусом 22 и торцевыми стенками 12 и 21, объем которых за один оборот сначала увеличивается, создавая разрежение между лопатками на стороне всасывания, а затем уменьшается. При этом воздух сжимается и вытесняется в атмосферу через выпускное отверстие.

Для смазки подшипников и трущихся поверхностей насос снабжен масленкой фитильного типа, которая обеспечивает равномерную и непрерывную подачу масла в насос.

Масленка состоит из двух основных составных частей: стакана 5 (рис. 2.4) вместимостью 0,6 л и чашки 2. Масло заливается в стакан, который закрывается крышкой 7 и фиксируется на чашке дугой 6. Из стакана масло вытекает в чашку до тех пор, пока его уровень не достигнет верхней части клинообразного выреза трубки крышки. Уровень масла в чашке масленки исполнения УВД.10.020 не регулируется. Уровень масла в чашке масленки УВА 12.000 зависит от длины выступающего конца трубки и должен находиться в пределах 13...18 мм. При снижении уровня масла воздух поступает в стакан через вырез в трубке и масло вытекает до тех пор, пока не достигнет установленного уровня.


Процесс смазки происходит следующим образом. Из чашки масло по фитилям 3 поступает в маслопрово­дящие каналы и под действием разности давлений в масленке и насосе по шлангам 9, отверстиям в крышках 12, 21 (рис. 2.3) насоса поступает в шарикоподшипники 14, через каналы шайб 15 в пазы ротора 17, смазывая по­верхности лопаток 16, корпуса и крышек насоса. Далее масло потоком воздуха выбрасывается через выпускное отверстие насоса.

Масленка обеспечивает подачу масла в насос с расходом 0,25.. .0,4 г/м3 воздуха, что соответствует истече­нию масла из стакана при работе установки на величину одного деления в среднем за 1,5 часа работы вакуум­ной установки производительностью 0,75 м3/мин, и в среднем за 1,1 часа для вакуумной установки производи­тельностью 1 м3/мин.

Контроль за поступлением масла в подшипники производится визуально через пластмассовые шланги, а общий расход - по делениям на стакане.

Обеспечение требуемого расхода масла в процессе эксплуатации производится периодической прочисткой маслопроводящих каналов в чашке 2 (рис. 2.4) и пробках 4, промывкой фитилей в дизельном топливе или изме­нением количества нитей в фитиле, а для масленки УВА 12.000 также изменением длины выступающей части трубки.

Для исключения возможного обратного вращения ротора и поломок лопаток при выключении электродви­гателя соединение впускного отверстия насоса с вакуумпроводом осуществляется через предохранительный клапан.

Рис. 2.4 Маслёнка УВД.10.020:

1 - кронштейн; 2 - чашка; 3 - фитиль; 4 - пробка; 5 - стакан; 6 - дуга; 7 - крышка; 8 - прокладка; 9 - шланг

Рис. 2.5 Вакуум-регулятор

Вакуум-баллон 3 (рис. 2.2) сглаживает пульсацию вакуума, неизбежно возникающую при работе насоса, со­бирает влагу и молоко, попавшие в вакуум-провод, а также используется как сливная емкость при промывке тру­бопроводов. При работе насоса крышка вакуумного баллона должна быть плотно закрыта.

Вакуум-регулятор 4 (рис. 2.2) поддерживает стабильный вакуум в вакуум-проводе. Он состоит из клапана 1 (рис. 2.5), пружины 3, набора грузов 4, демпферирующих пластин 5 и индикатора 2.

Вакуум-регулятор работает слудующим образом. Сила, действующая на клапан 1 снизу из-за разницы ме­жду атмосферным и вакуумметрическим давлением в вакуум-проводе поднимает клапан вверх, преодолевая вес груза 4. В результате этого через индикатор 2 в вакуум-провод начинает поступать атмосферный воздух. Вели­чина разрежения, при котором поднимается клапан 1, устанавливается весом груза 4. Величина расхода воздуха через вакуум-регулятор контролируется по показаниям индикатора 2. При нормальном расходе стрелка индика­тора 2 должна находиться в среднем положении. Для смягчения вибрации груза 4, они подвешиваются на пру­жине 3, а снизу демпферирующие пластины 5 находятся в слое масла.

Водокольцевые машины типа ВВН предназначены для создания вакуума в закрытых аппаратах и систе­мах. Изготавливаются в двух исполнениях: ВВН1 - с номинальным давлением всасывания 0,04 МПа; ВВН2 - с номинальным давлением всасывания 0,02 МПа.

Машины типа ВВН - жидкостно-кольцевые с непосредственным приводом от электродвигателя через уп­ругую муфту.

Водокольцевая установка ВВН-12 состоит из водокольцевой машины 4 (рис. 2.6), имеющей привод от электродвигателя 1 через муфту 2. Все это размещено на фундаментной плите 3.

Водокольцевая машина состоит из корпуса-цилиндра 2 (рис. 2.7), закрытого с торцов крышками-лобовинами. В цилиндре эксцентрично расположено лопастное колесо 1, закрепленное на валу. Выход вала из лобовин уплотняется сальниками с мягкой набивкой. Подаваемая в машину вода питает водяное кольцо 7 и создает гидравлический затвор в сальниках. Вал вращается в подшипниках, расположенных в прикрепленных к лобовинам корпусах.

Перед пуском в работу через всасывающий патрубок 5 машину заполняют примерно до оси вала водой. При пуске жидкость центробежной силой отбрасывается от втулки ротора к корпусу. При этом образуется жид­костное кольцо и серповидной пространство, которое является рабочей полостью. Рабочая полость разделена на отдельные ячейки, ограниченные лопатками, втулкой колеса, лобовинами и внутренней поверхностью жидко­стного кольца. При вращении колеса объем ячеек увеличивается (на рис. 2.7 вращение по часовой стрелке) и через всасывающее окно 6 происходит всасывание газа. Затем объем ячеек уменьшается, происходит сжатие и выталкивание газа через нагнетательное окно 3. Через нагнетательный патрубок 4 вместе с газом выбрасывает­ся вода. Для отделения воды от газов и ее сбора непосредственно на нагнетательном патрубке в вакуумных на­сосах устанавливают водоотделитель с открытой переливной трубой. Для отделения воды от газа в вакуумных насосах ВВН-12 применяется прямоточный сепаратор 5 (рис. 2.6). Прямоточный сепаратор представляет собой неразборный сосуд объемом около 24 литров со встроенной внутри многолопастной решеткой, посредством которой и происходит разделение газо-жидкостной смеси, выбрасываемой из насоса. Он обеспечивает практи­чески полное отделение воды от газа при всех возможных режимах работы.

При использовании машины в качестве компрессора к сливному патрубку сепаратора присоединяется во­доотводчик, обеспечивающий слив воды без утечки газа.

Преимуществом водокольцевых вакуумных машин перед лопастными вакуумными насосами является то, что при вращении ротор не касается стенок статора. Однако при вращении ротора происходит повышение тем­пературы воды в статоре насоса, что снижает его подачу. Для повышения устойчивости работы насоса ВВН предусмотрена установка специального охладителя воды.

Рис. 2.6 Общий вид вакуумного насоса ВВН-12

Рис. 2.7 Схема водокольцевой машины

Основные параметры применимости водокольцевых машин представлены в табл. 2.1.

Установка вакуумная водокольцевая УВВ-Ф-60Д предназначена для создания вакуума, используется для комплектации доильных уста­новок всех типов. Установка не предназначена для откачки агрессивных газов и паров.

Рис. 2.8 Общий вид водокольцевой вакуумной установки УВВ-Ф-60Д:

1 - вакуумпровод; 2 - предохранитель;

3 - насос; 4 - емкость для воды; 5 - электродвигатель; 6 - выхлопная труба; 7 - нагнетательный патрубок

Состоит из водокольцевого вакуумного насоса 3 (рис. 2.8) с приво­дом от электродвигателя 5 (мощностью 6 кВт), установленного над ем­костью для воды 4. Вакуумный насос соединен с вакуумпроводом1 че­рез предохранитель 2. Остаточный воздух вместе с водой по трубопро­воду 7 поступает в емкость для воды 4, а избыточный воздух по трубо­проводу 6 выбрасывается из помещения.

Основные технические характеристики водокольцевой вакуумной установки УВВ-Ф-60Д представлены в табл. 2.2.

Для некоторых процессов требуется очень большая быстрота откачки, хотя бы и не при очень низких дав­лениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса. Схема такого насоса представлена на рис. 2.9.

Два длинных ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подог­нанными деталями конструкции. Ротор вращается с частотой до 50 с-1, и высокая быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного. Каждый ротор может иметь два или три кулачка.

Рис. 2.9 Схема двухроторного насоса типа Рутса

Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавли­вают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой ох­лаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим.

2.3 Расчёт вакуумных насосов

Подача ротационного лопастного вакуумного насоса составляет

где D- диаметр статора, м; δ - толщина лопатки, м; z- число лопаток; е - эксцентриситет, м, е = (D- d)/2; d- диаметр ротора, м; L- длина ротора, м; n- частота вращения ротора, с-1; ηм - манометрический коэффициент, учитывающий изменение подачи насоса в зависимости от величины разряжения в системе ηм = (Pa- h)/Pa; Pa - атмосферное давление, Па; h - разряжение вакуумной системы, Па.

Мощность электродвигателя, потребляемая приводом вакуумного насоса, определяется по формуле

где Mmax- максимальный крутящий момент, обусловленный сопротивлением всасывания, Нм, Mmax= heDL; ηпр - КПД вакуумной установки (ηпр = 0,75.. .0,85).

Расчет ротационного водокольцевого насоса ведут по исходным данным: быстрота действия (подача) - S3/с); давление всасывания – P (МПа); давление нагнетания – Рн (МПа); температура откачивания – T= 293 К; Рабочая жидкость - вода; температура воды на входе - 288 К; откачиваемый газ - воздух.

Определяем геометрический объем, м3

где λ – коэффициент откачки, принимают λ = (0,6...0,8).

Определяем расчетный наружный радиус r2 (рис. 2.10) колеса

где ψ - коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток, для литых колес ψ = 0,65...0,85, для сварных колес с лопатками из листовой конструкционной стали ψ = 0,85...0,9; и2 - окружная скорость на периферии колеса, для воды принимается и2 = 16 м/с; χ = b0/r2- относительная ширина колеса, χ = 1,5…2,2; v = r1/r2 – отношение среднего радиуса ступицы колеса к наружному радиусу колеса, v= 0,4…0,55; b0 - длина колеса, м.

Определяем расчетную частоту, nв  -1), вращения вала насоса в соответствии с действительной частотой вращения двигателя. 

В соответствии с принятой nв , с-1, уточняем v, u2 и r2.

Относительный зазор δ = Δ/rпринимают в пределах δ  = 0,011...0,03. Откуда зазор (см. рис. 2.10) между колесом и корпусом Δ = δr2, м.

Принимают отношение длины b корпуса к длине b0 колеса b/b0 = 1,03... 1,05 .

Рис. 2.10 Расчётная схема вакуумного насоса.

Относительный эксцентриситет

где e- эксцентриситет, м.

Внутренний радиус R, м, корпуса определяют из выражения

Оптимальное число лопаток

где k – коэффициент, определяемый по выражению k =  e/R; Sл - толщина лопатки, Sл = 0,004…0,008 м. 

Уточняем геометрический объем Sг.

и быстроту действия

Число лопаток принимаем по быстроте действия: при S = 3.. .10 м3/мин, число лопаток  z = 8…12; при S > 3 – z = 12...20.

Изотермическая мощность NизкВт

Эффективная мощность Nе, кВт, на валу насоса

где ηиз  = 0,3...0,4 – изотермический кпд колеса.

Контрольные вопросы и задания

  1. Назовите основные части доильной машины и их назначение, поясните работу доильной машины в целом.
  2. Зачем необходимо поддерживать глубину вакуума в доильном аппарате?
  3. Как определить потребный расход воздуха вакуумной системой?
  4. Какие установки используют для создания разряжения при работе доильной машины и как они рабо­тают?
  5. Каково назначение, устройство и работа вакуумной установки и ее аппаратуры?
  6. Зачем устанавливается изоляционная вставка (предохранитель) между вакуумным насосом и вакуумпроводом?
  7. Какой расход масла допускается вакуумным насосом марки УВУ60/45 и как его отрегулировать и проконтролировать?
  8. Какова должна быть величина вакуумметрического давления в доильной установке и как его отрегу­лировать?
  9. Поясните преимущества и недостатки ротационных вакуумных установок.
  10. Как определить подачу, мощность и основные конструктивные параметры вакуумных насосов, от чего они зависят?

 

 

 

Вернуться к списку новостей