Сельское хозяйство/2. Механизация сельского хозяйства

Д.т.н. Зиганшин Б.Г., Лукманов Р.Р., к.т.н. Гаязиев И.Н., Гайнутдинов Р. Р.

Казанский государственный аграрный университет, Россия

Аналитический метод расчета расхода воздуха и мощности шестеренного пневмодвигателя

Исполнительным органом разработанного в Казанском ГАУ переносного манипулятора машинного доения является двухроторный шестеренный пневмодвигатель, к которому предъявляются определенные требования: с одной стороны, он должен быть легким, с другой стороны, должен развивать требуемую мощность для поднятия доильных стаканов с вымени животного, при этом расходуя минимальный объем воздуха.

Для определения расхода воздуха двухроторного шестеренного пневмодвигателя воспользуемся известной зависимостью [1]:

, (1)

где V – объем в межзубовом пространстве; z – число зубьев пневмодвигателя; n – частота вращения; ΔP = P_а - P_в – перепад давления;
P_а – барометрическое давление окружающей среды; Р_в– вакуумметрическое давление.

Подставляя выражение для крутящего момента [2] в соотношение (1), после преобразований получим формулу для определения расхода свободного воздуха:

, (2)

где – ширина зуба; R_е – наружный радиус окружности зубчатого колеса; R_i – радиус окружности впадин зубчатого колеса; e – коэффициент перекрытия; R_н – радиус начальной окружности зубчатого колеса; t₀ – шаг основной окружности.

На рисунке 1 представлена зависимость теоретического расхода от величины вакуума Q_Т=f(ΔР):

Рисунок 1 – Зависимость теоретического расхода Q_Т от величины вакуума P при b_ш=0,025 м, R_e=0,0275 м, R_н=0,0225 м, t₀=0,013 м, n=1500 мин^-1

На основании полученной зависимости и приведённого графика можно рассчитать теоретический расход шестеренного пневмодвигателя. На графике видно, что с увеличением величины вакуума расход воздуха пневмодвигателя уменьшается.

Для выявления достоверности теоретических данных была создана экспериментальная установка для проведения исследований в лабораторных условиях [3]. По результатам проведенных экспериментов, построены зависимости расхода воздуха и мощности пневмодвигателя от внутреннего диаметра насадки и диаметра барабана.

На рисунке 2 представлена зависимость расхода воздуха Q и мощности пневмодвигателя N от величины внутреннего диаметра насадки d при подъеме подвесной части доильного аппарата массой 3 кг, при величине вакуума 50 кПа и диаметра барабана 10 мм.

Рисунок 2 – Зависимость расхода воздуха Q и мощности пневмодвигателя N от

внутреннего диаметра выпускного парубка d

Из графика видно, что с увеличением внутреннего диаметра насадки с 3 до 9 мм расход воздуха пневмодвигателем уменьшается с 0,035 до
0,011 м³/ч за счет уменьшения перетечек газа через щели, вызванного увеличением частоты вращения ротора, а мощность пневмодвигателя увеличивается с 6,44 до 32,2 Вт. Причиной этого является возрастание скорости движения воздуха, которое ведет, в свою очередь к увеличению частоты вращения ротора.

На рисунке 3 представлена зависимость расхода воздуха и мощности пневмодвигателя от диаметра барабана и внутреннего диаметра насадки полученная на основании экспериментальных данных. При этом величина диаметра барабана принимает следующие значения 10, 13, 16, 19, 22, 25 мм. Внутренний диаметр насадки составляет 3, 6, 9 мм, масса подвесной части доильного аппарата составляет 3 кг, величина вакуума – P = 50 кПа.

Рисунок 3 – Зависимость расхода воздуха Q от диаметра барабана D

Анализ графика показывает, что при увеличении диаметра барабана с 10 до 25 мм происходит сначала уменьшение, а затем возрастание величины расходуемого воздуха пневмодвигателем с 0,0126 до 0,019 м³/ч. При этом минимальное значение достигается при диаметре барабана 16 мм и составляет 0,01 м³/ч. Это величина расхода воздуха соответствует оптимальной частоте вращения и минимальным перетечкам воздуха. Увеличение диаметра барабана ведет к увеличению момента сопротивления при подъеме подвесной части доильного аппарата и, как следствие, к большему расходу Q из-за утечек воздуха в роторной камере.

Для повышения качества машинного доения коров было создано устройство отключения доильного аппарата при окончании молокоотдачи. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы конструктивно-технологические параметры и режимы работы пневмодвигателя. При увеличении внутреннего диаметра выпускного патрубка с 3 до 9 мм, диаметра барабана с 10 до 25 мм и величины вакуума от 30 до 55 кПа, расход воздуха уменьшается с 0,009 до 0,0854м³/ч, а мощность на валу барабана увеличивается с 0,25 до 8,95 Вт. Как видно из графика с увеличением диаметра D с 10 до 25 мм изменение значений мощности носит параболический характер. Максимальное значение мощности достигается при диаметре барабана D с 14 до 15 мм, так как такой размер барабана обеспечивает максимальную скорость подъема подвесной части доильного аппарата.

При проведении эксперимента безударное снятие доильного аппарата наблюдалось при диаметре барабана более 13 мм, тогда как при диаметрах барабана от 10 до 13 мм не удавалось автоматическое снятие с искусственного вымени без ударов. По графику можно сделать вывод, что для безударного снятия доильного аппарата минимально необходимая мощность составляет N_min = 3,9 Вт. С другой стороны увеличение диаметра барабана более 25 мм не целесообразно. Потому что это вызовет необоснованное увеличение массы и габаритных размеров пневмодвигателя, что является нежелательным при использовании его в составе переносного манипулятора. Кроме того, как было показано выше, увеличение диаметра барабана ведет к росту величины расхода воздуха, что создает дополнительную нагрузку на вакуумную систему доильной установки.

Оптимальная частота вращения барабана при снятии доильного аппарата находится в пределах 400 мин^-1, что обеспечивает скорость движения нити 0,24-0,26 м/с, среднее время снятия аппарата 5секунд, расход воздуха за одно снятие составил 0,022 м³. Для работы в производственных условиях рекомендуется использовать диаметр барабана 14 мм, внутренний диаметр насадки – 4 мм.

Литература

1. Борисенко, К.С. Пневматические двигатели горных машин /
К.С. Борисенко. – М.: Углетехиздат, 1958. – С. 7 ‑114.

2. Лукманов, Р.Р. Аналитический метод расчета некоторых технологических параметров манипулятора доильного аппарата / Р.Р. Лукманов, И.Е. Волоков, Б.Г. Зиганшин // Вестник Казанского ГАУ, 2011. – №1(19). – С. 103-104.

3. Зиганшин, Б.Г. Некоторые процессы механизации процесса доения / Б.Г. Зиганшин, Р.Р. Лукманов, И.Н. Гаязиев, Р.Р. Гайнутдинов // Materiály VIII mezinarodní vĕdecko – praktiká konfererence «Dny vĕdy – 2012». – Praha: Publishing House «Equcation and Science», 2012. – C. 13-17.