Соляник Светлана Сергеевна. Повышение эффективности машинного доения коров за счет обоснования энергосберегающих режимов работы и оптимизации конструктивно-технологических параметров вакуум-силовых установок

brief description

Соляник Светлана Сергеевна. Повышение эффективности машинного доения коров за счет обоснования энергосберегающих режимов работы и оптимизации конструктивно-технологических параметров вакуум-силовых установок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 / Соляник Светлана Сергеевна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. аграр. ун-т].- Санкт-Петербург, 2009.- 154 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2915

ФГОУ ВПО « Санкт-Петербургский государственный
аграрный университет»
На правах рукописи

(04.20 0.9 09399е
Соляник
Светлана Сергеевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИННОГО ДОЕНИЯ КОРОВ
ЗА СЧЕТ ОБОСНОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМ-СИЛОВЫХ
УСТАНОВОК
Специальность 05.20.01-Технологии
и средства механизации сельского хозяйства
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
А.В. Соминич
Санкт-Петербург-2009
Содержание
Стр.
Введение 4
1. Состояние вопроса. Цель и задачи 9
1.1 Машинное доение коров и значение вакуумной силовой установки в
реализации процесса доения 9
■ : ' j 1
1.2 Вакуумный режим доильных установок и его влияние на показатели
машинного доения коров 13
1.3 Обзор конструкций и классификация вакуумных насосов доильных
установок 18
1.4 Обзор работ по исследованию вакуумных насосов 33
1.5 Анализ применяемых способов и средств стабилизации вакуумного
режима в доильной установке 41
1.6 Цель и задачи исследования : 45
1.7 Выводы 46
2. Теоретические исследования ротационного пластинчатого
вакуумного насоса с регулировкой частоты вращения ротора 47
2.1. Теоретическое обоснование конструктивной схемы 47
2.2. Анализ поточного процесса доения ‘. 53
2.3 Анализ основных кинематических характеристик вакуумного насоса.. ..61
2.4 Динамика вакуумного насоса 67
2.5 Характеристика пневмопровода 77
2.6 Определение мощности необходимой для привода ротационного
пластинчатого вакуумного насоса с регулируемой частотой вращения 81
2.7 Выводы 86
3. Программа и методика экспериментальных исследований 88
3.1 Задачи экспериментальных исследований 88
3.2 Экспериментальная установка и приборное обеспечение исследований..89
3.3 Методики, используемые при проведении экспериментальных
исследований 95
з
3.3.1 Методика исследования влияния диаметра вакуумной трубы на
энергозатраты вакуумной установки 95
3.3.2 Методика исследования числа работающих доильных аппаратов на
энергозатраты вакуумной установки 96
3.3.3 Методика исследования влияния частоты вращения вала ротора насоса
на энергозатраты вакуумной установки 96
3.4 Методика планирования и проведения многофакторного эксперимента по оценке влияния основных факторов на мощность 99
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 106
4.1. Определение оптимальных значений исследуемых факторов 106
4.1.1 Влияние диаметра вакуумпровода на мощность вакуумной
установки 106
4.1.2 Влияние частоты вращения ротора на мощность вакуумной
установки 107
4.1.3 Влияние числа доильных аппаратов на мощность вакуумной
установки 109
4.2 Выявление количественных зависимостей между основными
параметрами и определение их оптимального
значения 111
4.3 Выводы 126
5. Оценка эффективности результатов исследования 128
5.1 Исходные данные для расчета 128
5.2 Методика расчета 130
5.3 Определение затрат на изготовление модернизированной установки. ..131
5.4 Результаты расчета экономической эффективности 131
6. Общие выводы 135
Список используемой литературы 138
Приложения 148

Введение
В повышении уровня производства продукции молочного животноводства и улучшении ее качества большое значение, вместе с кормлением и содержанием животных, имеет машинное доение коров.
Эффективность работы доильных машин и технологии доения в целом определяется постоянством вакуумного режима в технологических линиях доильных установок. Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что даже незначительное отклонение параметров вакуумного режима доильной установки приводит к росту числа заболеваний коров маститом, вызывает снижение их продуктивности и качества молока.
В качестве источника вакуума в современных доильных установках используются вакуумные насосы различных типов. Их рабочие параметры и, в первую очередь, подача определяют стабильность и величину рабочего разрежения в доильных машинах. В результате анализа технических средств создания разрежения установлено, что для обеспечения заданных параметров вакуумного режима доильных установок целесообразно использовать ротационные пластинчатые вакуумные насосы, а для снижения энергозатрат на привод использовать электродвигатель с регулированной частотой вращения ротора.
При неполной загрузке вакуум-силовой установки, когда одновременно доят не 6, а 2 или 4 коровы, существующие насосы роторно-пластинчатого типа работают на полную мощность, в результате через вакуум-регулятор в систему поступает атмосферный воздух. Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима и снижения энергозатрат на привод возникла потребность в дальнейшем совершенствовании вакуумных насосов и улучшении показателей их работы.
Совершенствование схемы привода ротационных вакуумных насосов должно увеличить их надежность, снизить расход электроэнергии и соответственно, повысить эффективность процесса доения.
Цель работы. Разработка энергосберегающей конструктивно-технологической схемы вакуум-силовой установки для машинного доения коров за счет обоснования режимов и оптимизации ее параметров.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи: *
- на основе анализа результатов проведенных ранее исследований, патентов и литературных источников определить основное направление совершенствования технологий и технических средств для создания вакуумного режима;
- на основе анализа факторов, характеризующих процесс машинного доения, получить математические модели зависимостей основных факторов исследуемой вакуумной установки с регулируемой частотой вращения ротора;
- разработать функциональную и наиболее рациональную конструктивно-технологическую схему вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вращения ротора, отвечающую зоотехническим требованиям;
- теоретически обосновать выбор принципиальной схемы вакуум-силовой установки и ее конструктивно-режимных параметров;
- разработать методику исследований и провести
экспериментальные исследования для определения оптимальных конструктивных параметров и режимов работы вакуум-силовой установки;
- на основе обработки результатов экспериментального исследования получить математические зависимости влияния основных факторов исследуемой вакуумной установки с регулируемой частотой вращения ротора на её производительность и энергоемкость;
- разработать программное обеспечение и практические рекомендации для использования усовершенствованной установки в производственных условиях;
-оценить экономическую и энергетическую эффективность усовершенствованной вакуум-силовой установки.
Объект исследования - Вакуум-силовая установка с вакуумпроводом.
Предмет исследования — Рабочий процесс работы вакуум-силовой установки при введении в её состав электродвигателя с регулируемой частотой вращения ротора и изменении конструктивных параметров вакуум- провода.
Методика исследования. В работе использованы аналитический и экспериментальный методы.
Аналитический метод включал изучение технологического процесса с применением методов теоретической механики, термодинамики, электропривода, гидравлики, системы программных средств ПК.
В экспериментальных исследованиях использовались методы физического моделирования для проверки теоретических положений и выводов. ~
Результаты исследований обрабатывались с применением известных методов математического анализа с использованием программных средств ПК.
Научная новизна. На основании аналитических и экспериментальных исследований получены расчетные зависимости для определения объемной подачи и требуемой мощности вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вращения ротора.
Практическую ценность представляют:
-Математическая модель работы вакуум-силовой установки с регулируемым вращением ротора.
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-технологической схемы.
- Результаты энергетической и экономической оценки исследуемой вакуум-силовой установки.
Снижение энергозатрат в вакуум-силовой установке целесообразно осуществлять изменением её конструктивной схемы за счет введения электродвигателя с изменяемой частотой вращения ротора. Насосы с регулируемой частотой вращения ротора имеют меньшее потребление электроэнергии за счет адаптации его расхода к реальным потребностям доильной установки, обусловленным количеством доильных аппаратов, находящихся в работе.
Реализация результатов исследований.
Разработанные методы расчета и экспериментальная модель вакуум-силовой установки используются в учебном процессе кафедры «МПППЖ» СПбГАУ при проведении занятий со студентами инженерно¬технологического и энергетического факультетов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ (Санкт-Петербург 2004-2009).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 6 печатных работ, одна из которых в издании, рекомендованном ВАК.
Объем диссертации. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, включая список литературы из 110 наименований (в том числе 4 на иностранных языках), содержит 21 таблицу, 51 рисунок, 4 приложения.
На защиту выносятся:
- конструктивно-технологическая схема и режимы работы вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вращения ротора
электродвигателя.
- математическая модель изменения энергозатрат вакуум-силовой установки в зависимости от количества доильных аппаратов, используемых в работе.
- изменение энергозатрат в зависимости от диаметра вакуумпровода.
- результаты экспериментального исследования.
- результаты оценки экономической и энергетической эффективности использования усовершенствованной вакуум-силовой установки.

bibliography

6. Общие выводы
. 1. Необходимость совершенствования вакуумных машин доильных
установок определяется экономическими предпосылками. Приведенный анализ существующих конструкций и классификация вакуумных насосов, свидетельствуют о большом их разнообразии и широком диапазоне реализуемых ими режимов, но все они имеют ряд существенных недостатков. Однако общим их недостатком является невозможность изменения подачи насоса при изменении количества аппаратов, работающих одновременно.
2. При большом разнообразии конструктивно-технологических схем
вакуумных установок наиболее перспективными и распространенными при машинном доении коров являются установки на базе ротационных вакуумных насосов. В результате анализа технических средств создания разрежения установлено, что для обеспечения заданных параметров вакуумного режима доильных установок целесообразно использовать ротационные пластинчатые вакуумные насосы, а для снижения энергозатрат на привод использовать электродвигатель с регулируемой частотой вращения ротора. ,
3. Требуемая мощность при работе оператора с двумя доильными аппаратами будет равна 0,9 кВт, при работе с 4 аппаратами -1,6 кВт и при работе с шестью аппаратами потребуется 2,4 кВт, в то время как серийная установка работает на мощности 4 кВт. Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима и снижения энергозатрат на привод существует потребность в создании и разработке конструктивной схемы вакуумной установки адаптированной к условиям работы.
4. Согласно полученным аналитическим зависимостям
(2.35),(2.39),(2.41),(2.62),(2.63),(2.65),(2.66),(2.67) мощность, а,
следовательно, и энергопотребление ротационного пластинчатого
вакуумного насоса с регулируемой частоты вращения ротора в наибольшей степени зависит от частоты вращения ротора, количества доильных аппаратов и диаметра вакуум-провода.
5. Снижение энергозатрат в вакуум-силовой установке целесообразно осуществлять изменением её конструктивной схемы за счет введения частотного преобразователя в схему питания асинхронного электродвигателя. Насосы с регулируемой частотой вращения ротора имеют меньшее потребление электроэнергии за счет адаптации его расхода к реальным потребностям доильной установки, обусловленным количеством доильных аппаратов, находящихся в работе. При работе оператора с двумя доильными аппаратами необходимая частота вращения ротора будет 450 мин’1 (47 с’1), 4 доильными аппаратами-850 мин"1 (89 с'1), 6 доильными аппаратами — 1230 мин’1 (129 с’1), вместо существующей сейчас частоты вращения МЗОмин"1 (150 с’1).
6. Для постановки и проведения экспериментальных исследований
была предложена программа и методика оптимизации конструктивных и режимных параметров вакуум-силовой установки. Результаты
предварительного эксперимента позволили выявить значимые факторы, влияющие на работу вакуумного насоса. К ним можно отнести частоту вращения ротора, количество доильных аппаратов и диаметр вакуумпровода.
7. Экспериментальные исследования позволили оценить влияние конструктивно-технологических факторов на энергопотребление вакуумной установки, а также получить математические модели, которые могут быть использованы для создания вакуум-силовой установки с регулируемой частотой вращения ротора. При работе 2 доильных аппаратов подача насоса сократится в 3 раза. При работе 2 доильных аппаратов подача насоса будет составлять 0,005 м /с, а 4-х аппаратов 0,01 м /с, вместо существующей
о
сейчас подачи 0,016 м/с.. При увеличении диаметра вакуум-провода в 1,5 раза мы получаем уменьшение мощности, потребляемой вакуумной установкой. При этом требуемая мощность будет- при диаметре 0,03м- 2,5 кВт, а при диаметре 0,035- 1,7 кВт соответственно.
8. Годовой экономический эффект от использования предлагаемой вакуумной установки составит 7878,49 рублей для поголовья в 100 коров. Оптимизация технологических и конструктивных параметров исследуемой установки позволит снизить энергетические затраты в 2 раза в сравнении с серийной установкой и получить годовую экономию по прямым эксплуатационным затратам в размере 8996,92 рублей в расчете на одну вакуумную установку.
При существующем росте тарифов на электроэнергию можно предполагать сокращение срока окупаемости.