Разработка датчиков потока молока доильного аппарата с почетвертной адаптацией режима доения коров

Во введении обоснована актуальность темы, изложены состояние вопроса,
цель, задачи и приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса применения и исследований
адаптивного доильного оборудования и создания его элементов управления режи-
мом доения» отмечается о целесообразности трансфера в молочное скотоводство
автоматизированных и цифровых технологий, обеспечивающих исключение субъ-
ективного формирования управляющих воздействий на процесс доения, осуществ-
ляемых оператором машинного доения. А так как в настоящее время более 60%, а
в отдельных регионах и более 90%, коров в Российской Федерации содержатся на
привязи, то они должны быть выполнены в переносном варианте, быть компактны,
с почетвертным регулируемым вакуумметрическим давлением в доильных стака-
нах под управлением расположенных в коллекторе поплавковых датчиков потока
молока с герконом и магнитом, и для уменьшения габаритных размеров коллекто-
ра совмещаемых с регуляторами вакуумметрического давления в подсосковых и
межстенных камерах доильных стаканов.
Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса датчика
потока молока почетвертного адаптивного доильного аппарата» отмечается, что
автором при создании адаптивного доильного аппарата разрабатывались несколь-
ко направлений, результатом которых стал почетвертной адаптивный доильный
аппарат с поплавковыми датчиками потока молока, снабженными герконами и
магнитами (Рисунок 1).
Как следует из описания работы предложенного нами доильного аппарата,
при нижнем положении поплавка 1 (Рисунок 2) геркон 3 находится в магнитном
поле магнита 2, магнитодвижущая сила которого равна или больше магнитодви-
жущей силы Fзам замыкания его контактов.
В таком случае в доильном стакане устанавливается стимулирующий режим
доения. Для переключения доильного стакана в номинальный режим доения необ-
ходимо, чтобы его перемещение ymg в вертикальной плоскости относительно гер-
кона 3 вдоль оси Y Декартовой системы координат, начало которой расположено
на горизонтальной линии, проходящей через центр его симметрии, было таким,
при котором магнитодвижущая сила магнита F в зоне геркона уменьшилась и ста-
ла ниже магнитодвижущей силы Fраз перехода геркона в исходное состояние.
Определить данное перемещение можно, воспользовавшись уравнением (1), вна-
чале установив закономерность изменения напряженности магнитного поля на
герконе в зависимости от a – удаления точки определения напряженности магнит-
ного поля от плоскости магнита:

=[ − ],(1)
2 √4 2 + 2 + 22( + )√4( + )2 + 2 + 2
где Br – остаточная индукция магнита, Тл; A, B, C – стороны магнита, м; μ0 –
магнитная постоянная, μ0 = 4π.10-7 Гн/м; a – удаление точки определения напряжен-
ности магнитного поля от плоскости магнита, образованной сторонами A и B, м.
В нашем случае (Рисунок 2), мы можем записать:
= .(2)
А так как магнитодвижущая сила F (МДС) связана с напряженностью маг-
нитного поля в этой же точке выражением:
= ,(3)
то с учетом уравнения (1) мы можем записать равенство для определения характе-
ра зависимости магнитодвижущей силы на герконе от удаления от него магнита:

=[ − ],(4)
2 √4 2 + 2 + 22( + )√4( + )2 + 2 + 2

Рисунок 1 – Доильный аппарат с почетвертной адаптацией режима доения:
1 – магнит; 2 – отверстие; 3 – выемка; 4 – буртик; 5, 34, 35, 39 – патрубок; 6 – клапан; 7 – рычаг;
8 – молокоприемная камера; 9 – подвижной патрубок; 10 – поплавок; 11 – молоколовушка;
12, 38 – мембрана; 13 – коллектор; 14 – электроклапан; 15– канал; 16 – секция; 17, 18 – камера
управления; 19 – канал; 20, 21 – камера; 22 – перегородка; 23 – калиброванный канал;
24 – трос; 25 – пружинный механизм; 26 – блок управления; 27 – пульсатор; 28 – молокопровод;
29 – вакуумная магистраль; 30 – стакан; 31, 32 – камера; 33 – сосковая резина; 36 – щель;
37– камера регулируемого вакуумметрического давления; 40 – калиброванное отверстие;
41 – щель; 42 – геркон

Рисунок 2 – К определению перемещения поплавка:
1 – поплавок; 2 – магнит; 3 – геркон

Герконы обладают гистерезисом. Поэтому магнитодвижущие силы Fзам замы-
кания и магнитодвижущие силы Fраз размыкания их контактов не равны между собой.
В таком случае, решив уравнение (4) относительно а и подставив в него зна-
чение магнитодвижущей силы Fзам замыкания геркона, взятое из его характери-
стики, мы можем определить максимально допустимое удаление azmax точки креп-
ления геркона к корпусу молоколовушки от магнита при нижнем положении по-
плавка (Рисунок 2):
|± | = ,(5)
где yg – максимально допустимое удаление azmax точки крепления геркона к корпу-
су молоколовушки от магнита при нижнем положении поплавка с учетом коэффи-
циента надежности замыкания контактов геркона, м; kz – коэффициент надежности
замыкания контактов геркона, kz<1. А подставив в уравнение (4) значение магнитодвижущей силы Fраз размыка- ния контактов геркона, мы можем определить минимально допустимое удаление armin от геркона магнита при всплытии поплавка (Рисунок 2): = ,(6) где kr – коэффициент надежности размыкания контактов геркона, kr>1.
Из этого следует, что перемещение поплавка, при котором обеспечивается
включение номинального режима доения данного соска коровы, составляет:
Δ = − ,(7)
где Δy – перемещение поплавка в результате всплытия, при котором обеспечивается
размыкание контактов геркона, м; yf – фактическое положение точки крепления
геркона на корпусе молоколовушки, выбранное из конструктивных соображений, м.
При этом, при выборе местоположения геркона должно выполняться условие:
− < < + ,(8) При поступлении молока в молоколовушку 1 согласно закону Архимеда на по- плавок 5 начинает действовать подъемная сила Fv, величина которой зависит от глу- бины погружения поплавка в молоко и его площади поперечного сечения (Рисунок 3): = ℎ ,(9) где γ – удельный вес молока, Н/м ; hmp – глубина погружения поплавка в молоко, м; Sp – площадь поперечного сечения поплавка, м2. Рисунок 3 – Молоколовушка с поплавком: 1 – молоколовушка; 2 – подвижной патрубок; 3 – калиброванный канал; 4 – магнит; 5 – поплавок, 6 – камера Из условия работоспособности поплавкового датчика потока молока: – вы- сота поплавка должна быть не менее глубины погружения поплавка в молоко: 4 ( + + ) ℎ =,(10) 2) ( 2 − где hpr – практическая высота поплавка, м; kp – коэффициент запаса высоты поплавка; Fp – вес поплавка, Н; Fm – вес магнита, Н; Fpp – вес подвижного патрубка, Н; γ – удельный вес молока, Н/м3; Dp – наружный диаметр поплавка, м; dp – диаметр отверстия поплавка, м. А так как при интенсивной молокоотдаче поплавок, всплывая, приподнима- ет за буртик и подвижной патрубок, тем самым образуя щель для истечения моло- ка, мы можем определить минимально допустимое расстояние от дна молоколо- вушки до буртика подвижного патрубка при крайнем нижнем его положении: 4 ( + + ) ℎ = (+ − ),(11) 2) ( 2 − где hopt – оптимальное расстояние от дна молоколовушки до буртика подвижного патрубка при крайнем нижнем его положении, м; kopt – коэффициент запаса рас- стояния, kopt>1.
При интенсивности потока молока, не выше установленного для доения в
стимулирующем режиме, например, 50 мл/мин, из молоколовушки молоко стекает
в молокоприемную камеру коллектора через калиброванный канал, образованный
подвижным патрубком, который содержит калиброванную выемку, с посадочным
гнездом в отверстии, выполненном в дне молоколовушки.
Напор истечения молока из молоколовушки формируется глубиной погру-
жения центра тяжести поперечного сечения калиброванного канала, а также пере-
падом давления в молоколовушке и молокоприемной камере коллектора. Попе-
речное сечение калиброванного канала состоит из двух составляющих:
= 1 + 2 ,(12)
где Sk – площадь поперечного сечения канала истечения молока из молоколовуш-
ки, м2; Sk1 – площадь поперечного сечения выемки в подвижном патрубке, м2; Sk2 –
площадь поперечного сечения части калиброванного канала, образуемая кониче-
ской поверхностью посадочного гнезда, м2.
При этом, сопряжение коническая поверхность подвижного патрубка – по-
садочное гнездо не должно обладать натягом, а должно обеспечивать лишь водо –
молоконепроницаемость, т.е. угол α отклонения образующих конической поверх-
ности от оси симметрии должен быть больше угла трения скольжения взаимодей-
ствующих поверхностей. В окончательном виде уравнение для определения пло-
щади поперечного сечения канала истечения молока из молоколовушки имеет вид:
tan 2∝22
=+√( (tan 2∝ tan∝+2)) − ( [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)]) ×
84 sin∝44 cos 2∝

2
× √(1 − (tan 2∝ tan∝+2) 2 [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
)−
4[() −() ]
44 cos 2∝

k tan 2∝
−√(1 − (tan 2∝ tan∝+2) 2 [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
),(13)
8 sin∝
4[() −() ]
44 cos 2∝

где d – больший диаметр конического отверстия, м; dk – диаметр поперечного се-
чения выемки в подвижном патрубке, м.
При этом, следует заметить, что с приближением к вершине конуса площадь
поперечного сечения канала истечения молока увеличивается.
При определении положения центра тяжести поперечного сечения канала
истечения молока из молоколовушки, – точки приложения напора истечения, мы
исходили из того, что канал состоит из двух составляющих: сечение выемки в по-
движном патрубке и часть калиброванного канала, образуемая конической по-
верхностью посадочного гнезда:
( −6 2 02)
ℎ =sin ,( 14)
6
где hct – высота положения центра тяжести поперечного сечения сливного канала над
дном молоколовушки, м; y02 – положения центра тяжести относительно разделитель-
ной линии сечения выемки в подвижном патрубке и части калиброванного канала, об-
разуемая конической поверхностью посадочного гнезда; β – угол положения оси сим-
метрии и образующей выемки в подвижном патрубке относительно оси симметрии.
В таком случае напор истечения, создаваемый столбом молока в стимули-
рующем режиме доения при нижнем положении поплавка (Рисунок 3), может в
критической точке на грани начала всплытия поплавка достигать значения:
ℎ = ℎ − ℎ .(15)
где hmp – глубина погружения поплавка, м.
А так как в уравнении для расчета расхода молока из молоколовушки через ка-
либрованный канал 3 (Рисунок 3) при доении коровы в стимулирующем режиме напор
истечения H молока из молоколовушки включает и напор, создаваемый перепадом
давления между давлением в молоколовушке и молокоприемной камере коллектора:
−
= √2 (ℎ +),(16)

где Qms – расход молока при доении в стимулирующем режиме, м3/с; φ – коэффи-
циент скорости; ε – коэффициент сжатия струи; Sky – площадь на выходе попереч-
ного сечения канала истечения молока из молоколовушки, м2; Pn – номинальное
вакуумметрическое давление, Па; Pst – вакуумметрическое давление при доении в
стимулирующем режиме, Па; γ – удельный вес молока, Н/м3, а приведенный диа-
метр калиброванного канала истечения молока можно представить как:
2( −2 tan∝) tan 2∝

= 2{[+×
84 sin∝
( − 2 tan ∝)(tan 2 ∝ tan ∝ + 2)( − 2 tan ∝)[2 − cos 2 ∝ (tan 2 ∝ tan ∝ + 2)]
√() −() ×
44 cos 2 ∝

× √(1 −( −2 tan∝)(tan 2∝ tan∝+2) 2 ( −2 tan∝)[2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
)−
4[() −() ]
44 cos 2∝

( − 2 tan ∝) k tan 2 ∝
−×
8 sin ∝

× √(1 −( −2 tan∝)(tan 2∝ tan∝+2) 2( −2 tan∝)[2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
)]/ }0.5 ,(17)
4[() −() ]
44 cos 2∝

где dpr – приведенный диаметр калиброванного канала, м, то мы можем опреде-
лить зависимость расхода молока из молоколовушки от диаметра выемки в по-
движном патрубке.
Для обеспечения транспортировки молока, а также установления заданного
режима в молоколовушке 10 (Рисунок 4), в патрубке 7, сообщающем молоколо-
вушку с подсосковой камерой доильного стакана, выполнено калиброванное от-
верстие 8 для поступления атмосферного воздуха.
Рисунок 4 – К определению параметров калиброванного отверстия
для подсоса воздуха из атмосферы:
1 – молокоприемная камера; 2 – калиброванный канал; 3 – поплавок; 4 – подвижной патрубок;
5 – калиброванная щель; 6 – камера управления; 7 – патрубок; 8 – калиброванное отверстие;
9 – мембрана; 10 – молоколовушка

При отсутствии молока в молоколовушке и нижнем положении поплавка 3, в
камере управления 6 устанавливается пониженное вакуумметрическое давление, что
приводит к прогибу мембраны 9 вниз, под воздействием номинального вакуумметри-
ческого давления Pn в молокоприемной камере 1 и подвижном патрубке 4, и умень-
шению калиброванной щели 5, образуемой мембраной 9 и верхним обрезом подвиж-
ного патрубка 4. В результате, в молоколовушке 10 устанавливается вакуумметриче-
ское давление Pst, соответствующее стимулирующему режиму доения. Но при этом
следует заметить, что одновременно откачка воздуха из молоколовушки 10 осу-
ществляется и через калиброванный канал 2, образуемый подвижным патрубком 4 в
посадочном гнезде. Используя известные законы Пуазёйля движения воздуха по ка-
налам под воздействием перепада давления, запишем уравнение баланса:

( − ) =( − ),(18)
128 128
где dprk – приведенный диаметр калиброванного канала, м; μv – динамическая вяз-
кость воздуха, 18.1.10-6 Па.с; dotv – диаметр калиброванного отверстия, м; ls – тол-
щина стенки патрубка, м; Pa – атмосферное давление, Па.
Задаваясь толщиной стенки патрубка 7, из уравнения (20) мы можем опреде-
лить минимально допустимый диаметр dotv отверстия, при котором удовлетворяет-
ся оговоренное выше условие:
tan 2∝22
= (2((+√( (tan 2∝ tan∝+2)) − ( [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)]) ×
84 sin∝44 cos 2∝

× √(1 − (tan 2∝ tan∝+2) 2 [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
)−
4[() −() ]
44 cos 2∝

k tan 2∝
−√(1 − (tan 2∝ tan∝+2) 2 [2−cos 2∝(tan 2∝ tan∝+2)] 2
))/π)0,5)
8 sin∝
4[() −() ]
44 cos 2∝

42 ( − ) sin
.(19)
√( 2 2
− )(√ − − cos − )

где d – больший диаметр конического посадочного гнезда в дне молоколовушки, м.
В режиме номинального доения при всплытии поплавок 1 (Рисунок 5) за
буртик 11 поднимает за собой подвижной патрубок 2, тем самым образуя нижним
обрезом подвижного патрубка 2 с посадочным гнездом щель 3 для слива молока
через отверстие в дне молоколовушки в молокоприемную камеру коллектора.
Напор истечения Hn молока из молоколовушки включает напор, создаваемый
столбом молока в молоколовушке, и напор, создаваемый перепадом давления
между давлением в молоколовушке и молокоприемной камере коллектора:
−
= ℎ + ,( 20)

где him – напор истечения, создаваемый столбом молока в молоколовушке, м.

Рисунок 5 – К обоснованию параметров щели между нижним обрезом
подвижного патрубка и посадочным гнездом:
1 – поплавок, 2 – подвижной патрубок; 3 – щель; 4 – геркон; 5 – магнит; 6 – калиброванный
канал; 7 – патрубок; 8 – молоколовушка; 9 – мембрана; 10 – калиброванная щель; 11 – буртик

Столб молока в молоколовушке при доении коровы в номинальном режиме
должен обеспечивать перемещение поплавка 1, при котором магнит 5 выходит за пре-
делы зоны взаимодействия с герконом 4, а также учитывать погружение поплавка:
4( + + )
ℎ = − +.(21)
2)
( 2 −
В таком случае расход молока через меньшее отверстие посадочного гнезда
в дне молоколовушки:
−
= 1 √2 (ℎ +),(22)

где Qmd – расход молока при доении в номинальном режиме, м3/с; Skd1 – площадь
меньшого отверстия посадочного гнезда для истечения молока, м2.
Задаваясь интенсивностью потока молока Qmd, выводимого и соска вымени ко-
ровы, а также напором его истечения из молоколовушки в молокоприемную камеру
коллектора, формируемым столбом молока в молоколовушке и перепадом давлений,
мы можем определить диаметр dv меньшого отверстия посадочного гнезда в дне мо-
локоловушки, а, значит, и внутренний диаметр подвижного патрубка:
4
= √ −
.(23)
√2 (ℎ + )

Через конструктивные параметры сопряжения нижний обрез подвижного
патрубка – посадочное гнездо площадь щели, через которую молоко поступает к
отверстию в дне молоколовушки, с учетом площади поперечного сечения выемки
в подвижном патрубке, может быть представлена как:
2
2 = ℎ + ,(24)
где Skd2 – площадь щели, образуемой нижним обрезом подвижного патрубка и по-
садочным гнездом, м2; hpn – высота щели, образуемой нижним обрезом подвижно-
го патрубка и посадочным гнездом, м.
Но так как дальше молоко сливается в молокоприемную камеру коллектора
через меньшее отверстие посадочного гнезда, диаметр которого равен внутренне-
му диаметру подвижного патрубка, то при условии:
2 ≤ 1 ,(25)
мы можем записать искомое математическое выражение, описывающее зависи-
мость размера щели для истечения молока от внутреннего диаметра подвижного
патрубка диаметра выемки в подвижном патрубке:
2 2−
ℎ =−=,(26)
48 8
Как следует из уравнения (26) с увеличением диаметра выемки в подвижном
патрубке – высота щели уменьшается.
А с учетом уравнения (23), мы можем получить аналитическое выражение,
характеризующее зависимость размера щели от напора истечения и интенсивности
потока выводимого из вымени молока:
1
ℎ = (−),(27)
− 84
√2 (ℎ + )

√ −
√2 (ℎ + )

При этом для расчета принимают значение расхода молока Qmd с учетом
ожидаемой продуктивности коров:
1 2 3
=.(28)
1000
где Gmax – максимальный удой коровы за лактацию, л; Td – продолжительность лак-
тации, сут.; f – кратность дойки коров, раз/сут.; td – продолжительность дойки, с;
k1 – коэффициент годовой неравномерности продуктивности коров; k2 – коэффи-
циент суточной неравномерности продуктивности коров; k3 – коэффициент нерав-
номерности интенсивности потока молока в процессе дойки.
В процессе доения коровы в стимулирующем режиме и накоплении молока
в молоколовушке откачка воздуха из подсосковой камеры доильного стакана те-
перь уже осуществляется через калиброванную щель 10, образуемую верхним об-
резом подвижного патрубка 2 и мембраной 9 при одновременном поступлении ат-
мосферного воздуха в патрубок 7 через калиброванный канал 6 (Рисунок 6).
Уравнение баланса будет иметь вид:

( − ) =( − ),(29)
128 128
где dsmk – приведенный диаметр калиброванной щели, м; lb – толщина стенки по-
движного патрубка, м,
Отсюда мы можем определить требуемый размер калиброванной щели 10:
14
−
ℎ =√( ),(30)
4 −
где dv – внутренний диаметр подвижного патрубка, м; hspm – высота калиброванной
щели, образуемой верхним обрезом подвижного патрубка и мембраной, м.
Рисунок 6 – К обоснованию параметров щели между верхним обрезом
подвижного патрубка и мембраной при доении в стимулирующем режиме:
1 – поплавок, 2 – подвижной патрубок; 3 – калиброванный канал; 4 – геркон; 5 – магнит;
6 – калиброванное отверстие; 7 – патрубок; 8 –молоколовушка; 9 – мембрана;
10 – калиброванная щель; 11 – буртик
По аналогии с вышеизложенным, мы можем определить требуемый размер
калиброванной щели 10 при переходе в номинальный режим доения, при котором
обеспечивается заданное вакуумметрическое давление Pnd в доильных стаканах
доильного аппарата в результате увеличения вакуумметрического давления в ка-
мере управления до номинального давления Pn :
14
−
ℎ =√( ),(31)
4 −
где hspm – высота калиброванной щели, образуемой верхним обрезом подвижного
патрубка и мембраной, м.
А с учетом уравнения (23) уравнение (31) приобретает вид:
4 −
−
ℎ = √
( ) √2 (ℎ +),(32)
64 −

из которого следует, что при тех же конструктивных параметрах как с увеличени-
ем интенсивности потока молока, так и с увеличением абсолютного давления дое-
ния, размер калиброванной щели уменьшается.
Сумма высот калиброванной щели между верхним обрезом подвижного па-
трубка и мембраной, при которой обеспечивается заданное вакуумметрическое
давление Pnd в доильных стаканах доильного аппарата и щели между нижним об-
резом патрубка и дном молоколовушки, при которой обеспечивается задаваемая
интенсивность потока истекаемого молока из молоколовушки в молокоприемную
камеру коллектора определяет требуемый ход мембраны:
4 2
1 − 2 2 −
=√( )+,(33)
4 − 8
где Lmr – ход мембраны, м.
Ход мембраны в зависимости от интенсивности потока молока и абсолютно-
го вакуумметрического давления описывается уравнением вида:
− −
= √() √2 (ℎ +)+
64 −
1
+(−)(34)
− 84
√2 (ℎ + )

√ −
√2 (ℎ + )

С учетом оптимального расстояния от дна молоколовушки до буртика по-
движного патрубка при крайнем нижнем его положении, требуемого хода мембра-
ны, задаваясь толщиной буртика подвижного патрубка и высотой патрубка выше
буртика, мы можем определить глубину молоколовушки датчика потока молока
доильного аппарата:
4 ( + + )
= (+ − ) + ℎ +
( 2 − 2 )
4 −
−
√
( ) √2 (ℎ +)+
64 −
+(35)
1
(−)
− 84
√2 (ℎ + )

√ −
√2 (ℎ+ )
(
)
где Hmol – глубина молоколовушки датчика потока молока, м; hbur – толщина бур-
тика и высота подвижного патрубка выше буртика, м; Lmrf – ход мембраны в край-
нее нижнее и крайнее верхнее положение относительно нейтрального положения
мембраны в ненагруженном состоянии, м.
Уравнение характеристики абсолютно гибкой мембраны имеет вид:
∆ 4
0 = √ (1 − ) ,(36)
4
где Dm – диаметр мембраны, м; E – модуль упругости материала мембраны, Н/м2;
δ – толщина мембраны, м; μ – коэффициент Пуассона; Δp – перепад давления на
мембране, Па; ω0 – ход мембраны, м,
Очевидно, что требуемый ход мембраны Lmr не должен превышать ход мем-
браны ω0. Отсюда минимально допустимый диаметр мембраны равен:
4 − 22
4√ ( 2 2)
− 2

=2
+√−(37)
2∆ (1− ) − 32
4
− 4 √2 (ℎ + )
2
√ −
√2 (ℎ + )
√( )
В третьей главе представлены задачи и методики экспериментальных ис-
следований. Для имитации и исследования взаимодействия магнита и геркона
нами был разработан стенд, позволяющий устанавливать расстояние магнита от
геркона в момент замыкания, а также размыкания его контактов. Проведение экс-
периментальных исследований, при изучении расхода жидкости через калибро-
ванный канал из молоколовушки в молокоприемную камеру коллектора, законо-
мерности изменения вакуумметрического давления в патрубке, сообщающем мо-
локоловушку с подсосковой камерой доильного стакана, а также стрелы прогиба
мембраны, осуществляли на основе планирования факторных экспериментов с ис-
пользованием разработанных нами стендов.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследова-
ний датчика потока молока почетвертного адаптивного доильного аппарата.
Было выполнено исследование взаимодействия магнита и геркона. Для это-
го, на основании предварительно проведенных теоретических исследований, нами
были отобраны неодимовые магниты (Неодим-железо-бор (NdFeB)) размером
2×2×2, 4×4×4 и 6×6×6 мм и герконы КЭМ-2 группы Б (МДС срабатывания 21-42 А).
По результатам обработки данных исследований в программе Excel нами получе-
ны эмпирические уравнения, характеризующие зависимость расстояния между
магнитом и герконом в момент замыкания контактов:
1 = 0,3266 2 + 1,8862 − 1,4516,(38)
где y1 – расстояние между герконом и магнитом в момент замыкания контактов
геркона, мм; x – размер стороны равностороннего магнита, мм,
а также размыкания контактов:
2 = 0,4179 2 + 3,1761 − 2,672,(39)
где y2 – расстояние между герконом и магнитом в момент размыкания контактов
геркона, мм.
Как свидетельствует анализ расчетов, выполненных по уравнению (38) и (4),
значение расстояния между магнитом и герконом в момент замыкания контактов
геркона при их сближении, полученное экспериментально, превышает этот пара-
метр на 0,37…1,6%, полученный расчетным путем, а при размыкании – наоборот, в
интервале 2,76…4,60%. Графическая интерпретация эмпирических уравнений ре-
грессии (38) и (39), а также теоретических исследований приведена на рисунке 7.
Этим подтверждается возможность использования для расчета магнитодви-
жущей силы магнита уравнения (4), и на ее основе устанавливать допустимое уда-
ление магнита от геркона. Так при использовании вышеобозначенных геркона и
магнита, при замыкании максимально допустимое удаление магнита от геркона
составляет 11,2 мм, а в момент размыкания – удаление магнита от геркона должно
составлять не менее 17,12 мм.
Обработка данных, полученных в результате выполнения двухфакторного
эксперимента, позволила получить эмпирическое уравнение, представляющее ха-
рактер зависимости интенсивности потока истекающей через калиброванный ка-
нал жидкости от напора истечения и диаметра выемки в подвижном патрубке:
= 0.017169109 − 0.051079512 + 0.00045335342 +
0.00680889868 + 0,02906606 2 − 0.00021930479 2 ,(40)
где Qk – интенсивность потока истекающей через калиброванный канал жидкости,
л/мин.; Pds – перепад давлений между молоколовушкой и молокоприемной каме-
рой коллектора в стимулирующем режиме доения, кПа.

Рисунок 7 – Характеристика зависимости расстояния между магнитом и герконом
в момент замыкания-размыкания контактов геркона
Графическая интерпретация данной зависимости приведена на рисунке 8.
Оценкой результатов расчетов по теоретическому уравнению (17) и эмпириче-
скому уравнению (40) по F – критерию Фишера доказана их адекватность. Поэтому
мы можем сказать, что для обеспечения интенсивности потока истечения жидкости из
молоколовушки коллектора 50,0…60,0 мл/мин при перепаде давлений в молоколо-
вушке и молокоприемной камере коллектора 15,0±0,1 кПа, диаметр выемки в по-
движном патрубке, образующей калиброванный канал, должен быть равен 1,0±0,1 мм.

Рисунок 8 – Характеристика зависимости интенсивности потока истекающей через
калиброванный канал жидкости от напора истечения и диаметра выемки в подвижном патрубке

Эмпирическое уравнение, представляющее зависимость интенсивности потока
истекающей через щель жидкости от напора истечения и высоты щели при принятом
нами внутреннем диаметре подвижного патрубка и диаметре меньшего отверстия ко-
нического посадочного гнезда в дне молоколовушки 8,0±0,1 мм, имеет вид:
= −0.05938 + 0.64026ℎ 1 + 0.14172 1 + 0.27824 1 ℎ 1 +
0.0017ℎ 1 2 − 0.02832 1 2 ,(41)
где Qn – интенсивность потока истекающей через щель жидкости, л/мин.; Pdn1 –
перепад давлений между молоколовушкой и молокоприемной камерой коллектора
в номинальном режиме доения, кПа; hpn1 – высота щели, мм.
Графическая интерпретация данной зависимости приведена на рисунке 9.
Установлено, что для обеспечения интенсивности потока истечения жидкости из мо-
локоловушки 2,0±0,1 л/мин при перепаде давлений в молоколовушке и молокопри-
емной камере коллектора 1,25±0,1 кПа и внутреннем диаметре подвижного патрубка,
а также диаметре меньшего отверстия конического посадочного гнезда в дне молоко-
ловушки 8,0±0,1 мм, высота щели, образуемой нижним обрезом подвижного патруб-
ка и коническим посадочным гнездом, должна быть равной 1,94±0,1 мм.

Рисунок 9 – Характеристика зависимости интенсивности потока истекающей
через щель жидкости от напора истечения и высоты щели
Характер зависимости вакуумметрического давления в патрубке, а равно в
молоколовушке и в подсосковой камере доильного стакана, от диаметра выемки в
исследуемом стержне и диаметра калиброванного отверстия жиклера имеет вид:
= 56,6659175 − 49,8930625 + 132,690725 −
75,465625 + 29,1051875 2 − 4,87925 2
,(42)
где Pexp – абсолютное давление в патрубке, кПа; dk – диаметр выемки в стержне, мм;
dotv – диаметр калиброванного отверстия жиклера, мм.
Графическая интерпретация данной зависимости приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Характеристика зависимости абсолютного давления в патрубке
от диаметра выемки в стержне и диаметра калиброванного отверстия жиклера

Установлено, что для обеспечения вакуумметрического давления в патруб-
ке, а равно в молоколовушке и в подсосковой камере доильного стакана, равного
33,0±0,1 кПа, в стимулирующем режиме доения, при диаметре выемки в подвиж-
ном патрубке 1,0±0,1 мм и номинальном вакуумметрическом давлении в молоко-
приемной камере коллектора 48,0±0,1 кПа, диаметр калиброванного отверстия
жиклера должен быть не менее 0,58±0,01 мм.
При изучении закономерности изменения стрелы прогиба мембраны под
действием одностороннего давления рабочей средой получено эмпирическое
уравнение, выражающее зависимость стрелы прогиба мембраны от ее диаметра,
толщины, а также перепада давления на ней:
= −5,15472 + 0,118713 + 2,63638 + 0,362542∆ + 0,0329 ∆ + 0,04 ∆ −
0.0042 ∆ − 0,0014255 − 0,5702 2 − 0.1430352∆ 2 ,(43)
где ɷ – стрела прогиба мембраны, мм; Dm – диаметр мембраны, мм; δ – толщина
мембраны, мм; ∆ – давление, кПа.
Поверхности отклика по данному эксперименту можно представить, зафик-
сировав на нулевом уровне один из трех факторов. Как пример, при δ =2,0 мм
уравнение регрессии (43) приобретает вид:
= −2,16276 + 0,118713 + 0,442542∆ + 0,0245 ∆ − 0,0014255 −
0.1430352∆ .(44)
Поверхность отклика данного уравнения регрессии и ее сечение приведено
на рисунке 11. Как свидетельствует анализ математических моделей деформации
мембраны, описываемых уравнениями (33) и (34), а также эмпирического уравне-
ния (43), стрела прогиба мембраны, равная 0,97±0,1мм, может быть достигнута
при диаметре мембраны 48,0±0,1мм, ее толщине – 2,0±0,1 мм и одностороннем
давлении на мембрану 0,46±0,1 кПа.
аб
Рисунок 11 – Поверхность отклика (а) и ее сечение (б) варьирования диаметра мембраны
и перепада давления на мембране

В пятой главе «Хозяйственные испытания почетвертного адаптивного доиль-
ного аппарата» приведены результаты сравнительных испытаний адаптивного до-
ильного аппарата, которые выполняли в хозяйствах Белгородской области на коровах
с продуктивностью свыше 6000 кг молока, целью которых было установление эф-
фективности внесенных изменений в конструкцию экспериментального почетвертно-
го адаптивного доильного аппарата, степень влияния на молочную продуктивность
коров, степень выдоенности и заболеваемость вымени маститом (Рисунок 12).

Рисунок 12 – Общий вид доильного аппарата с почетвертной адаптацией режима доения

По завершению эксперимента, – 90 дней лактации, – коровы, которых доили
опытными образцами доильных аппаратов, имели молочную продуктивность вы-
ше, чем животные в группе контроля на 3,58%.
Годовой экономический эффект почетвертного адаптивного доильного аппа-
рата с учетом приведенных затрат, полноты выдаивания и предотвращения заболе-
ваемости вымени коров маститом, в расчете на 20 голов, составляет 138219,07 руб-
ля, а на одну голову – 6910,95 рубля.
Внедрение доильных аппаратов в крестьянском (фермерском) хозяйстве
Карташова Ф.И., в крестьянском (фермерском) хозяйстве Калашника Р.Н. и в
ООО «Молочные эко-фермы» (Белгородская область), позволило получить эконо-
мический эффект свыше 250,0 тысяч рублей в год.
Работа выполнялась при поддержке программы «УМНИК» Фонда содей-
ствия инновациям по направлению «Новые приборы и интеллектуальные произ-
водственные технологии». Принимала участие в XXII Международном конкурсе
научно-исследовательских работ PTSCIENCE 16 сентября 2020 года. Разработка
«Моделирование рабочего процесса поплавковых датчиков потока молока пере-
носного адаптивного манипулятора доения коров» отмечена дипломом второй
степени Всероссийского общества научных разработок «ОНР ПТСАЙНС»,
г. Москва. Проект «Разработка адаптивного доильного аппарата с использованием
почетвертного управляемого режима доения» отмечена дипломом участника яр-
марки проектов StartUp:Land Agro & food tech.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ технологий машинного доения коров и известных конструкций
доильного оборудования позволил установить, что для доения коров при привяз-
ном их содержании целесообразно использовать почетвертной адаптивный доиль-
ный аппарат, обладающий возможностью подольного управления вакуумным ре-
жимом доения на основе применения поплавковых датчиков потока молока с маг-
нитами и герконами.
2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при весе
поплавка 0,11 Н, весе магнита 0,02 Н и весе подвижного патрубка 0,02 Н, наружном и
внутреннем диаметре поплавка соответственно 0,043 и 0,013 м, и использовании
неодимового магнита (Неодим-железо-бор (NdFeB)) размером 4×4×4 мм и геркона
КЭМ-2 группы Б типа SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open), минимально
допустимое расстояние от дна молоколовушки до буртика подвижного патрубка при
крайнем нижнем его положении, равном 25,6 мм, может быть при удалении геркона в
противоположном направлении от направления всплытия поплавка – 11,20 мм.
3. Доказано, что при варьировании угла отклонения образующих посадочного
гнезда и взаимодействующей с ним части подвижного патрубка от оси симметрии в
пределах от 50 до 250 (0,436…0,784 рад), для обеспечения интенсивности потока ис-
течения жидкости из молоколовушки датчика потока молока 50,0…60,0 мл/мин,
при перепаде давлений в молоколовушке и молокоприемной камере коллектора
15,0±0,1 кПа, диаметр выемки в подвижном патрубке, образующей калиброванный
канал, должен быть равен 1,0±0,1 мм.
4. Выявлено, что для обеспечения вакуумметрического давления в патрубке,
а равно в молоколовушке и в подсосковой камере доильного стакана, равного
33,0±0,1 кПа, в стимулирующем режиме доения, при диаметре выемки в подвижном
патрубке 1,0±0,1 мм и номинальном вакуумметрическом давлении в молокоприем-
ной камере коллектора 48,0±0,1 кПа, при толщине стенки патрубка 1,0±0,1 мм, диа-
метр калиброванного отверстия жиклера должен быть не менее 0,58±0,01 мм.
5. Установлено, что при увеличении интенсивности истечения молока из
молоколовушки в молокоприемную камеру коллектора до 2000,0 мл/мин, при со-
хранении в молокоприемной камере коллектора абсолютного давления 52,0 кПа,
внутренний диаметр подвижного патрубка должен быть не менее 7,00±0,1 мм.
6. Доказано, что для обеспечения интенсивности потока истечения жидкости
из молоколовушки коллектора 2,0±0,1 л/мин., при перепаде давлений в молоколо-
вушке и молокоприемной камере коллектора 1,25±0,1 кПа и внутреннем диаметре
подвижного патрубка, а также диаметре меньшего отверстия конического поса-
дочного гнезда в дне молоколовушки 8,0±0,1 мм, высота щели, образуемой ниж-
ним обрезом подвижного патрубка и коническим посадочным гнездом, должна
быть равной 1,94±0,1 мм.
7. Установлена математическая зависимость высоты щели между верхним
обрезом подвижного патрубка и мембраной от параметров калиброванного канала
в патрубке для подсоса атмосферного воздуха, подвижного патрубка и перепада
давлений. При диаметре отверстия в патрубке для подсоса атмосферного воздуха,
равном 0,49 мм, толщине стенки патрубка – 1,0 мм, толщине стенки подвижного
патрубка, равном 2.0 мм, внутреннего диаметре подвижного патрубка 8,0 мм и аб-
солютном давлении доения 53,0 кПа, размер калиброванной щели равен 0,07 мм.
8. Из вышеизложенных теоретически и экспериментально обоснованных кон-
структивных параметров элементов конструкции датчика потока молока следует, что
минимально допустимая глубина молоколовушки должна быть не менее 31,54 мм.
9. Как свидетельствует анализ математических моделей деформации мем-
браны, стрела прогиба мембраны, равная 0,97±0,1 мм, при ее толщине – 2,0±0,1 мм
и одностороннем давлении на мембрану 0,46±0,1 кПа, может быть достигнута при
диаметре мембраны 48,0±0,1 мм.
10. Хозяйственными испытаниями установлено, что коровы, которых доили
опытными образцами доильных аппаратов, имели молочную продуктивность вы-
ше, чем животные в группе контроля на 3,58%. При этом вероятность заболевания
коров маститом снизилась на 11,1%.
11. Внедряемый адаптивный доильный аппарат весьма эффективен. Его годо-
вой экономический эффект с учетом приведенных затрат и роста молочной продук-
тивности коров, в расчете на 20 голов, составляет 138219,07 рублей. В расчете на од-
ну корову эта сумма составляет 6910,95 рублей. Внедрение доильных аппаратов в
крестьянском (фермерском) хозяйстве Карташова Ф.И., в крестьянском (фермерском)
хозяйстве Калашника Р.Н. и в ООО «Молочные эко-фермы» (Белгородская область),
позволило получить экономический эффект свыше 250,0 тысяч рублей в год.
Рекомендации производству. Разработанный почетвертной адаптивный до-
ильный аппарат, управляемый поплавковыми датчиками потока молока, рекомен-
дуется к использованию для доения коров при привязном содержании.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Целесообразно продолжить
исследования по разработке и обоснованию конструктивно-режимных параметров
механизма додоя, отключения и снятия почетвертного адаптивного доильного ап-
парата с вымени коровы.