Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций доильных аппаратов для машинного доения коров и способов защиты вымени коров от негативного воздействия вакуумметрического давления 11
1.1. Физиологические и технологические аспекты доения коров 11
1.2. Воздействие вакуумметрического давления на соски коров 14
1.3. Исследования конструкций доильных аппаратов с устройствами для предотвращения негативного воздействия вакуума на вымя 17
2. Теоретические исследования рабочего процесса адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 44
2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы адаптивного доильного аппарата 44
2.2. Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров пневмораспределителя вакуумметрического давления и гидропневматического механизма пульсатора 52
2.2.1. Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров пневмораспределителя вакуумметрического давления 52
2.2.2. Теоретическое исследование процесса скольжения ползуна по основанию пневмораспреде-лителя вакуумметрического давления пульсатора 58
2.2.3. Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров гидропневматического механизма пульсатора 60
2.2.4. Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров пневморегулятора ва-куумметрического давления в полости бидона 69
3. Экспериментальные исследования адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 84
3.1. Методика экспериментальных исследований 87
3.1.1. Исследования работы пневмораспределителя вакуумметрического давления двухполупери-одного пульсатора 88
3.1.1.1. Методика измерения длительности 88
3.2. Тактов двухполупериодного пульсатора в зависимости от конструктивных параметров пневмораспределителя вакуумметрического давления 93
3.1.1.2. Методика определения силы трения скольжения ползуна по основанию пневмораспределителя вакуумметрического давления в зависимости от их конструктивных параметров и коммутируемого вакуумметрического давления 93
3.1.2. Исследования работы двухполупериодного пульсатора 99
3.1.2.1. Методика измерения частоты пульсаций пульсатора в зависимости от конструктивных параметров его гидропневматического механизма, пневмораспределителя вакуумметрического давления и коммутируемого вакуумметрического давления 99
3.1.3. Исследования работы пневморегулятора вакуумметрического давления в полости бидона 105
3.1.3.1. Методика определения прогиба мембраны в зависимости от перепада давления на ней 105
3.1.3.2. Методика измерения вакуумметрического давления в рабочей камере пневморегулятора вакуумметриче-ского давления, меняющегося в зависимости от конструктивных параметров пневморегулятора вакуума и давления в задающей камере 109
Результаты экспериментальных исследований 116
3.2.1. Результаты исследований по определению зависимости соотношения тактов пульсатора от конструктивных параметров пневмораспределителя 116
3.2.2. Результаты исследований по определению силы трения скольжения ползуна пневмораспределителя вакуумметрического давления по основанию в зависимости от их конструктивных параметров и коммутируемого вакуумметрического давления 123
3.2.3. Результаты исследований частоты пульсаций пульсатора в зависимости от конструктивных параметров его гидропневматического механизма, пневмораспределителя вакуумметрического давления и коммутируемого вакууммет-рического давления 125
3.2.4. Результаты исследований по определению перемещения жесткого центра мембраны пнев-морегулятора вакуумметрического давления в зависимости от диаметра и перепада давления на ней 133
3.2.5. Результаты исследований вакуумметрического давления в рабочей камере пневморегулятора вакуумметрического давления, меняющегося в зависимости от конструктивных параметров пневморегулятора вакуума и давления в задающей камере 134
Выводы 144
4. Хозяйственные испытания адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 146
4.1. Условия хозяйственных испытаний 146
4.2. Методика испытания 147
4.3. Результаты хозяйственных испытаний доильного аппарата с доением в бидон 148
4.4. Экономическая эффективность адаптивного адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 151
4.4.1. Экономическая эффективность экспериментального адаптивного доильного аппарата с доением в бидон от уменьшения трудоемкости 151
4.4.2. Лимитная стоимость экспериментального адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 152
4.4.3. Экономическая эффективность экспериментального адаптивного доильного аппарата с доением в бидон от увеличения продуцирования молока 153
4.4.4. Расчет экономического эффекта экспериментального адаптивного доильного аппарата с доением в бидон 154
Выводы 156
Заключение 158
Список литературы 160
Приложения 179
- Исследования конструкций доильных аппаратов с устройствами для предотвращения негативного воздействия вакуума на вымя
- Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров гидропневматического механизма пульсатора
- Методика определения прогиба мембраны в зависимости от перепада давления на ней
- Результаты исследований вакуумметрического давления в рабочей камере пневморегулятора вакуумметрического давления, меняющегося в зависимости от конструктивных параметров пневморегулятора вакуума и давления в задающей камере
Введение к работе
Актуальность работы. Постановлением Правительства РФ от 14 июля 2012 г. № 717 "О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы» предусматривается до 2020 г. увеличить вес российских продтоваров в общих ресурсах: мяса – до 91,5%; зерна – до 99,7%; молока – до 90,2%; свекловичного сахара – до 93,2%; картофеля – до 98,7%; растительного масла – до 87,7%. В связи с этим представляется весьма важным уделить особое внимание развитию молочного скотоводства.
Современные промышленные технологии предусматривают доение коров в специализированных помещениях с использованием доильных установок с различным способом фиксации животных: «Елочка», «Карусель» и др. Как правило, эти установки комплектуются элементами автоматики, позволяющими управлять режимом доения, реагируя на меняющийся поток молока в процессе выведения молока, тем самым влияя на режим воздействия на молочную железу. Но вместе с тем, не исключается необходимость доения коров в бидон или молокопровод в животноводческих помещениях при привязном их содержании небольшими группами, при доении в родильном помещении, или при доении коров, вымя которых поражено маститом. Однако до нынешнего времени промышленностью не освоен выпуск переносного доильного оборудования, обладающего полным спектром варьирующих параметров режима доения.
Поэтому целесообразность разработки переносного доильного аппарата с доением в бидон, обладающего возможностью изменения вакуумметрического давления доения, частоты и соотношения тактов пульсаций пульсатора, очевидна.
На решение сформировавшейся задачи и направлена диссертационная работа.
Степень разработанности темы. Решение проблемы создания доильного оборудования, обладающего возможностью адаптирования к физиологии животного в процессе доения, для обеспечения безвредного воздействия на молочную железу, занимались Л.П. Карташов, И.Н. Краснов, В.М. Ульянов, Ю.А. Цой, В.В. Кирсанов, С.А. Соловьев, П.И. Огородников, Е.А. Андрианов, И.К. Винников, В.Ф. Ужик и др. Как показал анализ работ вышеперечисленных и др. авторов, остается малоизученным вопрос применения такого режима доения в оборудовании для доения коров при привязном их содержании.
При этом недостаточно исследованным является вопрос управляемого режима доения доильным аппаратом с доением в бидон. Поэтому требуются дальнейшие исследования, изучение и разработка адаптивного доильного аппарата с доением в бидон.
Цель исследований. Повышение продуктивности и снижение заболеваемости вымени коров за счет использования адаптивного доильного аппарата с доением в бидон.
Задачи исследований. Для достижения цели исследований необходимо решить следующие задачи:
установить основные тенденции в создании адаптивных доильных аппаратов с доением в бидон и разработать его новую конструкцию;
обосновать конструктивно-режимные параметры пневмораспределителя вакуумметрического давления пульсатора адаптивного доильного аппарата с доением в бидон;
разработать математическую модель цикла работы и экспериментально обосновать конструктивные параметры гидропневматического механизма пульсатора адаптивного доильного аппарата с доением в бидон;
теоретически и экспериментально обосновать конструктивно-режимные параметры пневморегулятора вакуумметрического давления в полости бидона;
изучить влияние разработанного адаптивного доильного аппарата с доением в бидон на функцию вымени и заболеваемость маститом, оценить его эффективность.
Объект исследований - рабочий процесс адаптивного доильного аппарата с доением в бидон.
Предмет исследований - закономерности изменения параметров работы адаптивного доильного аппарата с доением в бидон.
Научная новизна диссертационной работы:
совокупность теоретических и практических положений, обосновывающих направление в создании адаптивных доильных аппаратов с доением в бидон;
математические модели рабочего процесса адаптивного доильного аппарата с доением в бидон;
результаты лабораторных исследований и хозяйственных испытаний адаптивного доильного аппарата с доением в бидон.
Теоретическая и практическая значимость. Разработан адаптивный доильный аппарат с доением в бидон, обладающий возможностью регулирования давления вакуума под сосками и в межстенных камерах доильных стаканов, частоты и соотношения тактов пульсаций пульсатора в зависимости от расхода молока, выводимого из вымени коровы. Новизна технического решения подтверждена патентом на изобретение РФ №2621015 «Доильный аппарат». Определены теоретические зависимости для расчета конструктивно-режимных параметров адаптивного доильного аппарата с доением в бидон, которые подтверждены лабораторными исследованиями и хозяйственными испытаниями.
Результаты диссертационных исследований имеют большую практическую значимость для сельскохозяйственного производства, учебных заведений, проектных и научных организаций.
Методология и методы исследований. При проведении математического моделирования рабочего процесса пульсатора и пневморегулятора вакуумметрического давления доильного аппарата использованы известные законы физики, теоретической механики, гидравлики и математики. Математическое моделирование проводили с целью получения математических зависимостей, которые позволяют установить основные конструктивно-режимные параметры раз-
работанного доильного аппарата. При проведении экспериментальных исследований применяли общеизвестные и частные методики. Экспериментальные исследования и хозяйственные испытания осуществляли с использованием как известных современных приборов, так и специально разработанных, в том числе тензометрических стендов. Анализ материалов исследований осуществляли с использованием программного обеспечения известными методами статистической обработки данных.
Положения, выносимые на защиту:
конструктивно-технологическая схема адаптивного доильного аппарата с доением в бидон;
математические модели рабочего процесса доильного аппарата;
результаты лабораторных исследований по обоснованию и оптимизации конструктивно-технологических параметров адаптивного доильного аппарата с доением в бидон;
результаты хозяйственных испытаний разработанного адаптивного доильного аппарата;
результаты расчета экономической эффективности доильного аппарата.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности научных положений подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, сравнительными испытаниями разработанного доильного аппарата, применением современных методик и средств обработки результатов экспериментов.
Разработанный адаптивный доильный аппарат с доением в бидон с положительным эффектом внедрен в хозяйствах Белгородской области.
Материалы исследований были доложены и одобрены на научно-хозяйственных конференциях (Подольск, ГНУ «ВНИИМЖ», 2016-2017; Белгород, БелГАУ, 2016-2017).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в т.ч. в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 3 работы, получен патент РФ №2621015. Общий объем публикаций составил 4,73 усл. печ. л., в том числе 3,71 усл. печ. л. принадлежит лично соискателю.
Объем диссертации:
Диссертационная работа изложена на 204 стр. машинописного текста, включая список литературы из 176 наименований, содержит 13 таблиц, 71 рисунок, 7 приложений.
Исследования конструкций доильных аппаратов с устройствами для предотвращения негативного воздействия вакуума на вымя
По характеру силы, используемой для выведения молока из вымени, доильные аппараты подразделяются на отсасывающие (используется только вакуум-метрическое давление) и отсасывающе – выжимающие, где наряду с вакууммет-рическим давлением используется ещё и избыточное (выше атмосферного) давление. По режиму работы различают аппараты с постоянными и переменными значениями вакуумметрического давления, соотношения тактов и частоты пульсаций. По принципу действия доильные аппараты бывают двухтактные и трёхтактные [37].
Сейчас в нашей стране на молочных фермах и комплексах применяют большое разнообразие доильных аппаратов отечественного и импортного производства. Широко применяются отсасывающие двухтактные доильные аппараты одновременного доения (АДС-1, ДА-2М, АДУ-1-03, АДУ-1М), попарного доения («Дояр», «Нурлат»), трехтактные (ДА-3М, «Волга»). Также используются зарубежные доильные аппараты DeLaval (Швеция), SAC (Дания), Westfalia Surge (Германия), Impulsa (Германия), System Happel (Германия), BouMatic (США) и других. Исследование вакуумных доильных аппаратов осуществляли многие ученые [17, 36, 31, 32, 38, 39, 40, 41, 42 и др.].
В нашей стране и за рубежом наиболее популярны аппараты для доения, обладающие двумя тактами: сосание и сжатие. При несвоевременном отключении доильного аппарата по завершению продуцирования молока наблюдается «холостое доение», которое может вызвать мастит из-за воздействия высокого вакуума на соски. Учитывая эту проблему наиболее важной и трудной практической задачей является устранение влияния вакуумметрического давления по завершению доения.
Такой аппарат (рис. 1.2.) включает доильные стаканы 1, воздушный шланг 2, коллектор 3, пульсатор 4, молочный шланг 5 и кронштейн 6.
В настоящее время известны различные разработки конструкций адаптивных доильных аппаратов, у которых отсутствуют некоторые недостатки, имеющиеся в серийно выпускаемых аппаратах. Предложено многообразие конструкций, в которых во время доения изменяются рабочие параметры [35, 43, 44, 45, 46].
В известном многообразии предлагаемых адаптивных доильных аппаратов можно выделить группы по изменению одного или нескольких параметров работы (изменение давления вакуума под соском, смены соотношения тактов, частоты пульсаций, длительности тактов и т.д.) [44, 47, 48].
Помимо известных в настоящий момент конструктивных решений по доильным аппаратам, работающих с изменяемым режимом доения, применяется множество приспособлений, позволяющих решать задачи машинного доения коров. Эти устройства позволяют в широких пределах регулировать атмосферный и вакуумметрические режимы в молоко- и вакуумпроводных магистралях [46, 49, 50, 51, 52,].
По исследованиям многих ученых, труды которых посвящены изучению изменяющейся величины вакуумметрического давления в камерах доильных стаканов, которое должно соответствовать физиологическим требованиям коровы при комфортном доении и изменяться в зависимости от скорости и интенсивности молокоотдачи животного.
Исходя из исследований, Анисько П.Е. предложил доильный аппарат, который работает при переменном вакууме, зависящим от расхода молока. Режим работы такого аппарата связан со скоростью молокоотдачи животного, что защищает вымя от негативных воздействий вакуумметрического давления, которое значительно влияет на здоровье и заболевания вымени коровы [53].
Подобные решения можно найти в работах Лищинского Ф.П., Фененко А.И. [50], Городецкой Т.К. [54], Огородникова П.И. [51], Проничева Н.П. [52], Карта-шова Л.П. [46] и др. исследователей.
Исходя из проведенных Плященко А.Ф. исследований, можно утверждать о способности доильных аппаратов, за счет дополнительных устройств, автоматически изменять величину вакуума под соском, создавать безопасный режим доения коров, за счет чего улучшается физиологичность доения, снижается риск заболеваний вымени и уменьшается ручной додой [48].
На основании своих исследований профессор Ужик В.Ф. приводит данные о том, что снижение вакуума в доильных стаканах, при уменьшении молокоотдачи до 0,2 кг/мин, положительно сказывается на физиологическом состоянии вымени коровы, вследствие чего снижается риск заболеваний маститом не менее чем в 2 раза [47].
Ужик В.Ф. и Прокофьев В.В. предложили конструкцию доильного аппарата, в котором вакуумметрическое давление регулируется впуском воздуха. Для этого коллектор изготовлен с камерами, каждая из которых имеет задающую камеру, соединенную с атмосферой. Задающая камера поддерживает низкий (стимулирующий) вакуум под сосками и в межстенных камерах стаканов при молокоотдаче не более 0,05 кг/мин, с увеличением молокоотдачи свыше 0,05 кг/мин повышается вакуумметрическое давление до номинальной величины 50 кПа. Такое регулирование вакуумметрического давления положительно влияет на весь процесс доения [55].
В предложенной Дриго В.Л., Михайленко Н.К., Остапенко Н.А. конструкции доильного аппарата вакуумметрическое давление регулируется пропорционально молокоотдаче. Регулирование осуществляется за счет дифференциального клапана, который установлен в молочном шланге. При величине номинального установленного вакуумметрического давления в 54 кПа вакуумметрическое давление под соском в режиме сосания варьирует от 28 до 48 кПа. Предложенная конструкция позволяет даже при давлении под соском 22 кПа, удерживать аппарат на сосках [56].
Многие ученые придают значение не только возможности регулирования вакуумметрического давления в подсосковых камерах доильных стаканов с помощью различных устройств (молоколовушек, регуляторов и т.п.), но и на регулирование вакуума в межстенных камерах доильных стаканов.
Вельчо С.Ф., Головань В.Т., Янко А.М. предложили доильный аппарат, в котором регулирование давления в межстенных камерах доильных стаканов реализуется дополнительным пульсатором с управляющей камерой меняющегося ва-куумметрического давления. Недостатком данного доильного аппарата является сложность настраивания его на оптимальный режим работы, но при правильных режимах обеспечивается эффективное доение [57].
Большую популярность приобрели конструкции доильных аппаратов, использующие поплавковые устройства, благодаря которым происходит регулирование вакуумметрического давления в камерах доильных стаканов.
Анализ конструкций существующих доильных аппаратов и устройств защиты вымени от негативного воздействия вакуумметрического давления на молочную железу коровы показал, что проблема не решена до конца. Используемые автоматизированные доильные аппараты сложны и дороги в эксплуатации. Актуальность проблемы сохраняется. Поэтому требуется разработать и создать конструкцию адаптивного доильного аппарата, обладающего возможностью доения коровы без машинного додаивания и защищающего вымя от негативного воздействия вакуумметрического давления после окончания молокоотдачи.
В настоящее время, когда количественно-качественные показатели получаемого молока влияют на финансовый результат, перспективное направление – задействование доильных аппаратов с регулируемым вакуумметрическим давлением, частотой и соотношением тактов пульсатора. При этом процесс доения коров проводится с учетом скорости молокоотдачи. К сожалению, существующие доильные механизмы для коров редко задействуют эту особенность, при этом оказывают негативное влияние на вымя коров. Высокое вакуумметрическое давление в начале и в конце процесса доения в подсосковой камере доильных стаканов -причина болезни вымени, замедления молокоотдачи из-за неадекватного воздействия [58, 59, 60].
Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров гидропневматического механизма пульсатора
Как следует из выполненного в предыдущем разделе теоретического обоснования конструктивно-режимных параметров пневмораспределителя вакууммет-рического давления, для обеспечения заданного соотношения тактов необходимо подбирать ширину пазов воздушных каналов, ширину перемычек между пазами, перебег ползуна по перемычкам между пазами, ширину паза ползуна, а также ход ползуна.
И вот именно ход ползуна, а также усилие, развиваемое на нем для перемещения по основанию и выполнения коммутации воздушных потоков, ложатся в основу теоретического обоснования конструктивно-режимных параметров следующего узла пульсатора – гидропневматического механизма привода ползуна, схема которого приведена на рисунке 2.16 [134].
Чередующееся в противофазе атмосферное и вакуумметрическое давление в правой и левой камерах 1 вызывает колебание правой и левой мембраны 3, соединяемых между собой трубкой 2 с жиклером 6, что приводит к ее возвратно-поступательному движению, тем самым обеспечивая перемещение ползуна 7 пневмораспределителя. Так как сообщаемые между собой трубкой 2 правая и ле вая камеры 4 заполнены жидкостью, то при подаче, например, в правую камеру 1 вакуумметрического давления, правая мембрана 3 отклоняется влево, тем самым увеличивая объем правой камеры 4, перемещая трубку 2 влево и деформируя левую мембрану 3 и уменьшая объем левой камеры 4.
При этом жидкость по трубке 2 перетекает из левой в правую камеру 4, обеспечивая плавное протекание процесса перемещения трубки 2 с ползуном 7 пнев-мораспределителя, тем самым осуществляя коммутацию воздушных потоков. Затем происходит переключение подачи вакуумметрического давления в левую камеру 1, а правая сообщается с атмосферой. Происходит обратное перетекание жидкости и перемещение трубки 2 с ползуном 7. Цикл завершен.
Следует заметить, что изменение хода ползуна 7, а стало быть, и трубки 2, вызванное необходимостью обеспечения заданного соотношения тактов, при одновременном изменении и других конструктивно-режимных параметров пневмо-распределителя, приводит к изменению частоты пульсаций пульсатора, если не будет изменена скорость его перемещения, которая, в свою очередь, зависит от количества жидкости, перекачиваемой из камеры в камеру гидропневматического механизма пульсатора, и скорости перетекания ее через трубку 2.
Как следует из рисунка 2.16, объем жидкости V перекачиваемой за цикл одного пульса пульсатора будет равен четырем объемам усеченного конуса, диаметром основания которого является наружный диаметр dj мембраны, диаметром при вершине - диаметр d2 трубки 2, а высота составляет половину L хода ползуна, описываемого уравнением (2.22) (Рисунок 2.12)
Как следует из рисунка 2.16, давление pi, например, в левой камере 4 пульсатора, формируется в результате деформации левой мембраны 3 под воздействием трубки 2, получающей усилие перемещения от правой мембраны 3 под воздействием вакуумметрического давления, подаваемого в правую камеру 1. Однако при этом происходят потери усилия, направленные на преодоление Fтр силы трения скольжения ползуна 7 пневмораспределителя вакуумметрического давления, описываемого уравнением (2.25)
Как правило, движение жидкости достаточно точно описывается уравнением Бернулли [138, 139, 140]. В нашем случае, как это выполнено в работах [141, 142, 143], будем рассматривать движение жидкости в гидропневматическом механизме пульсатора на четырех участках при горизонтально расположенной плоскости сравнения, как показано на рисунке 2.16.
Давление ри например, в левой камере 4 пульсатора, формируется в результате деформации левой мембраны 3 под воздействием трубки 2, получающей усилие перемещения от правой мембраны 3 под воздействием вакуумметрического давления Рвак, подаваемого в правую камеру 1, и напора столба жидкости в камере 4, равному половине диаметра мембраны 3. А давление р2 равно напору столба жидкости в камере 5, равному половине диаметра мембраны 3. Из [138] известно, что общие потери напора состоят из потерь по длине трубопровода и местных потерь.
Как отмечалось выше, давление р\ , например, в левой камере 4 пульсатора, формируется в результате деформации левой мембраны 3 под воздействием трубки 2, получающей усилие перемещения от правой мембраны 3 под воздействием вакуумметрического давления, подаваемого в правую камеру 1. Однако при этом происходят потери усилия, направленные на преодоление Fтр силы трения скольжения ползуна 7 пневмораспределителя вакуумметрического давления, описываемые уравнением (2.35).
Следует заметить, что если уравнение (2.22) характеризует зависимость хода ползуна от конструктивно-режимных параметров пневмораспре делителя вакуум-метрического давления, то уравнение (2.55) характеризует зависимость частоты пульсаций пульсатора от конструктивно-режимных параметров гидропневматического механизма пульсатора, кинематической вязкости жидкости, заполняющей гидропневматический механизм, и хода ползуна. Теоретическое исследование полученного аналитического выражения выполним с его визуализацией путем представления в графическом виде, что позволит установить интервал варьирования частоты пульсаций в зависимости от изучаемых конструктивно-режимных параметров гидропневматического механизма двухполупериодного пульсатора.
Как показал анализ теоретических исследований уравнения (2.55), характеризующего зависимость частоты пульсаций пульсатора от его конструктивно-режимных параметров, и графическая интерпретация которых представлена на рисунке 2.17, 2.18 и 2.19, по мере увеличения диаметра мембраны наблюдается уменьшение частоты пульсаций пульсатора, и, наоборот, с увеличением диаметра отверстия жиклера частота пульсаций растет.
Так, при ходе ползуна пульсатора 9,43 мм, соответствующему конструктивным размерам элементов пневмораспределителя, при которых обеспечивается соотношение тактов пульсатора К1=0,8 при доении в стимулирующем режиме и К2=1,5 при доении в номинальном режиме, вакуумметрическом давлении 48 кПа, интервале варьирования диаметра отверстия жиклера 0,2…0,4 мм и диаметра мембраны 40…60 мм, наблюдается частота пульсаций пульсатора в интервале от 13,29 до 136,69 пульс./мин. (Рисунок 2.17). Причем, минимальное значение – при диаметре отверстия жиклера 0,2 мм и диаметре мембраны – 60 мм. А максимальная частота пульсаций обеспечивается при диаметре отверстия жиклера 0,4 мм и минимальном диаметре мембраны – 40 мм.
Методика определения прогиба мембраны в зависимости от перепада давления на ней
Для установления экспериментальной зависимости прогиба мембраны под воздействием перепада давления на ней, нами был изготовлен стенд (Рисунок 3.8; 3.9), включающий каркас 1, к которому прикреплен корпус 2 экспериментального пневморегулятора вакуумметрического давления с испытываемой мембраной 3, фиксируемой на сменной вставке 4.
На жестком центре 5 мембраны 3 установлен контакт 6, взаимодействующий с контактом 7, прикрепленным к штоку 8 микрометра 9, установленным соосно с осью симметрии мембраны на стойке 10. Контакты 6 и 7 электрически соединены с блоком питания 11 и электрической лампочкой 12, и при контакте между собой создают замкнутую цепь. На каркасе 1 также вертикально установлена мерная линейка 13, к которой при помощи ползуна 14 с возможностью вертикального перемещения, прикреплена прозрачная трубка 15, эластичным патрубком 16 соединяемая с полостью 17 пневморегулятора вакуумметрического давления, образуемой корпусом 2 и мембраной 3. Причем мерная линейка 13 установлена так, что ее начало отсчета совпадает с нижней плоскостью мембраны 3.
Полость 17 пневморегулятора, эластичный патрубок 16 и трубка 15 заполнены жидкостью с известным удельным весом, например водой.
Для выпуска воздуха из полости 17 пневморегулятора в процессе заполнения жидкостью установлен вентиль 18 с выпускным отверстием, расположенным выше плоскости мембраны 3, а для установки заданного уровня жидкости, трубка 15 снабжена вентилем 19 с калиброванным отверстием.
Для исследований использовали мембраны диаметром в интервале 40,0… 60,0 мм, изготовленные из резины толщиной 2 мм, модуль упругости материала мембраны Е = 10 105Н/м2, коэффициент Пуассона// =0,5.
Исследования проводили следующим образом. К корпусу 2 экспериментального пневморегулятора вакуумметрического давления посредством сменной вставки 4 прикрепляли испытываемую мембрану 3. На стойке 10 устанавливали микрометр 9. Контакты 6 и 7 соединяли с электрической лампочкой 12 и блоком питания 11. Перемещая по мерной линейке 13 ползун 14, устанавливали трубку 15 в крайнее нижнее положение таким образом, чтобы ее верхний обрез был выше плоскости выпускного отверстия вентиля 18. Затем открывали вентиль 18 и через трубку 15 заливали воду до начала истечения ее через выпускное отверстие вентиля 18, тем самым заполняя эластичную трубку 16, и полость 17 в корпусе 2, ограниченную сверху мембраной 3. Потом открывали вентиль 19 и, спуская воду через калиброванное отверстие, устанавливали мениск уровня воды в трубке 15 на уровне начала отсчета мерной линейки 13, а значит и на уровне нижней плоскости мембраны 3, тем самым не оказывая на нее никакого воздействия. Вентиль 18 закрывали. Медленно вращая винт микрометра 9, приближали контакт 7 до соприкосновения с контактом 6 и замыкания цепи питания электрической лампочки 12. Лампочка вспыхивала. Вращение винта прекращали и, снимая показания микрометра 9, регистрировали начальное положение мембраны 3. Вращая винт микрометра 9 в обратном направлении, удаляли контакт 7 от контакта 6, разрывая цепь питания электрической лампочки 12 и освобождая место для деформации мембраны 3. Затем перемещали ползун 14 с трубкой 15 вверх по мерной линейке 13 и совмещали мениск уровня жидкости в трубке 15 с заданными показанием шкалы мерной линейки, тем самым изменяя давление на мембране 3. Мембрана, деформируясь под давлением, занимала новое положение. Медленно вращая винт микрометра 9, приближали контакт 7 до соприкосновения с контактом 6 и замыкания цепи питания электрической лампочки 12. Лампочка вспыхивала. Вращение винта прекращали и, снимая показания микрометра 9, регистрировали новое положение мембраны 3.
Затем перемещали ползун 14 с трубкой 15 вверх по мерной линейке 13 и совмещали мениск уровня жидкости в трубке 15 со следующим показанием шкалы мерной линейки. Снова медленно вращая винт микрометра 9, приближали контакт 7 до соприкосновения с контактом 6 и замыкания цепи питания электрической лампочки 12. Лампочка вспыхивала. Вращение винта прекращали и, снимая показания микрометра 9, регистрировали новое положение мембраны 3.
Ориентируясь на теоретические исследования рабочего процесса пневморе-гулятора вакуумметрического давления в полости бидона, такие измерения проводили в интервале перемещения трубки 15 со смещением мениска от 0 до 1020,0+1,0 мм.
Уровни варьирования выбранных факторов приведены в таблице 3.5.
За параметр оптимизации принимали перемещение bэкс жесткого центра мембраны.
В основу исследований был положен факторный эксперимент 22 (Таблица 3.6) [154…161]. Вычисление значений факторов выполняли с использованием ЭВМ.
Измерения проводили с трехкратной повторностью. Анализ материалов исследований осуществляли с использованием программного обеспечения известными методами статистической обработки данных [150…153].
Результаты исследований вакуумметрического давления в рабочей камере пневморегулятора вакуумметрического давления, меняющегося в зависимости от конструктивных параметров пневморегулятора вакуума и давления в задающей камере
Для установления характера зависимости вакуумметрического давления в рабочей камере пневморегулятора вакуумметрического давления, меняющегося в зависимости от конструктивных параметров пневморегулятора вакуума и давления в задающей камере, нами был выполнен факторный эксперимент [154…160].
По результатам обработки материалов исследований на ЭВМ, нами построено уравнение регрессии, которое в кодированном виде имеет вид
Установлено, что все коэффициенты уравнения регрессии значимы.
Достоверность уравнения регрессии проверяли по критерию Фишера [150…153]. Его адекватность опытным данным подтверждается. При табличном значении F – критерия Фишера 2,53 расчетное значение равно 1,8427.
Оценку адекватности теоретического уравнения (2.55) и уравнения регрессии (3.29) проводили по F – критерию Фишера [150…153].
Фактическое значение F – критерия Фишера составляет 1,36, в то время как табличное – 2,03, что является доказательством верности рассматриваемых теоре 136 тических положений относительно взаимосвязи конструктивных параметров пневморегулятора вакуумметрического давления в полости бидона.
Поверхности отклика и их сечения по данному уравнению регрессии можно представить, зафиксировав на нулевом уровне три из пяти факторов согласно матрице, представленной в таблице 3.10 и варьируя остальные два фактора [161].
Для первого варианта согласно таблице 3.10: dm = 0,05 диаметр мембраны, м.; а – 0,002 смещение патрубка относительно мембраны, м; Pu – 40000 вакууммет-рическое давление в задающей камере, Па.
Уравнение регрессии: (3.44) Pr= -39329,25-639472Q-60,5838n+56992,2Qn -887565000,0Q2-0,08920075n2.
Поверхность отклика данного уравнения регрессии и ее сечение приведено на рисунке 3.30.
Второй вариант: dm = 0,05 диаметр мембраны, м.; a – 0,002 смещение патрубка относительно мембраны, м; Q – 0,0011 поток воздуха, м3/с;
Третий вариант: dm = 0,05 диаметр мембраны, м.; Pu – 40000 вакуумметриче-ское давление в задающей камере, Па; Q – 0,0011 поток воздуха, м3/с.
Уравнение регрессии: (3.46) Pr=37420,99+80116,25a+2,21229486n-52,343761an-7335475,0a2-0,08920075n2.
Поверхность отклика данного уравнения регрессии и ее сечение приведены на рисунке 3.32.
Четвертый вариант: a – 0,002 смещение патрубка относительно мембраны, м; Pu – 40000 вакуумметрическое давление в задающей камере, Па; Q – 0,0011 поток воздуха, м3/с.
Уравнение регрессии: (3.47) Pr= 29378,32+199852,6dm+58,59986n-1129,85dmn-727630,0dm2-0,08920075 n2.
Пятый вариант: dm = 0,05 диаметр мембраны, м.; a – 0,002 смещение патрубка относительно мембраны, м; n – 60 частота пульсаций пульсатора, пульс./мин.; Уравнение регрессии: Pr=-13894,8+1,254034Pu+8487085Q -142,6756249PuQ 0,0000005584296875Pu2-887565000,0Q2. (3.48)
Поверхность отклика данного уравнения регрессии и ее сечение приведено на рисунке 3.34.
Шестой вариант: dm = 0,05 диаметр мембраны, м.; Pu – 40000 вакуумметриче-ское давление в задающей камере, Па; n – 60 частота пульсаций пульсатора, пульс./мин.
Уравнение регрессии: Pr=35219,79+91327,1818a+2806153,756Q-25546562,46aQ-7335475,0a2 887565000,0Q2 . (3.49)
Поверхность отклика данного уравнения регрессии и ее сечение приведены на рисунке 3.35.
Седьмой вариант: a – 0,002 смещение патрубка относительно мембраны, м; Pu – 40000 вакуумметрическое давление в задающей камере, Па; n – 60 частота пульсаций пульсатора, пульс./мин.