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渡晖胥
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1 1 活塞式挤奶机球阀脉动器的设计研究刘涛, 王春光内蒙古农业大学机电工程学院, 呼和浩特 (010018) 摘要 : 针对现有活塞式挤奶机部分工作性能参数不能满足标准要求, 设计了一种用于活塞式挤奶机的新型球阀脉动器利用电测技术对其主要性能指标进行测试, 结果显示该球阀脉动器可以满足活塞挤奶机的工作要求, 且最大真空时相比和 ED 值相对原机有一定改善关键词 : 挤奶机 ; 脉动器 ; 设计中图分类号 :S 引言活塞式挤奶机是一种结构紧凑价格低廉且使用方便的移动式挤奶机, 适用于中小养牛户使用, 但使用过程中有用户反映奶牛乳房炎的发病率较高有研究表明 : 这当中有挤奶机使用不当的人为因素 [1], 也有活塞式挤奶机本身工作性能的影响 [2] 针对目前常用活塞式挤奶机工作性能存在的主要问题, 设计了一种新型球阀脉动器经过性能测试可以满足活塞式挤奶机的工作要求 1 球阀脉动器工作原理所设计球阀脉动器工作原理如图 1 所示挤奶过程通过活塞与上下球阀的开启与关闭配合来实现脉动真空活塞下行时 ( 真空行程 ), 上球阀在自身重力及负压作用下一直处于关闭状态随着活塞泵气缸内压力的不断降低, 当奶杯内套压力与壁间室压力相等时, 奶杯内套打开而下球阀开始处于关闭状态, 当壁间室真空度降到可以开启下球阀时, 奶桶内气体流进入壁间室, 此时牛奶也将随奶桶气体的流动进入到奶桶当活塞上行时 ( 大气行程 ), 下球阀同样会在自身重力的作用下关闭奶杯内套也将随壁间室压力的增加而被压扁当壁间室压力达到上球阀的开启压差时, 壁间室多余的气体将随着上球阀的开启排向大气完成一个完整的脉动周期图 1 活塞式挤奶机球阀脉动器大气行程原理图图 2 活塞式挤奶机真空泵示意图 1 本课题得到基金项目 : 教育部博士点基金项目 ( ) 的资助 - 1 -

时相比和 ED 值相对原机有一定改善关键词 : 挤奶机 ; 脉动器 ; 设计中图分类号 :S817.

2 2 球阀脉动器的结构设计 2.1 活塞真空泵工作能力计算要获得奶杯壁间室和奶桶真空度变化规律, 就必须先了解活塞对整个挤奶系统真空度的影响变化规律活塞泵的工作能力与挤奶机电机转速传动机构及活塞结构参数有关挤奶真空系统机构简图如图 2 所示图中 1 为曲柄,2 是活塞,3 为真空泵汽缸曲柄 AB 的转动, 引起活塞 2 与汽缸 3 的相对位移若曲柄 AB 转过的夹角为 β, 则结构关系如图 3 根据对挤奶机的结构参数测量, 已知曲柄 AB 支架杆 CD 机座距离 AC, 求随着曲柄的转动, 活塞与气缸的相对位置关系设起始曲柄位置和活塞连杆共线, 即 AB 与 CD 在同一直线上此时活塞处于气缸上止点, 将这一点作为活塞下行的位移起点经时间 T 曲柄达到 AB, 所经过的角度 BAB=β, CAB= ϕ 由图中几何关系可知 : 2 2 式 1 BD = AC CD AB 2 式 2 B D = CB 2 -CD 2 2 式 3 CB = AB + AC 2AB cosϕ 式 4 CAD=arcsin(CD/AC) 将 3 代入 2 可得 : 式 5 B D = AB 2 + AC 2 CD 2 2AB cos( CAD + β ) 活塞在任意位置时相对于气缸的位移 S = B D BD 将式 5 与式 1 代入可得 : 图 3 活塞式挤奶机机构运动分析简图式 S = AB + AC CD 2AB cos( CAD + β ) - AC CD + AB 根据活塞的最大行程可计算真空泵排量 : 式 7 V=πR 2 h n 式中 :R 为活塞半径,( 单位 :dm ) h 为活塞最大行程,( 单位 :dm) n 为曲柄转速, ( 单位 :r/min) 将活塞泵结构参数代入式 7 V=π =77.65L/min 由文献 [3] 可知, 当压力在 0~10MPa, 温度在 0~0 之间变化时, 实际气体与理想气体参数变化规律基本相同, 误差 4% 挤奶机工作温度压力在上述范围之内, 因此, 可按照理想气体等温绝热密闭容器计算活塞气缸内最大真空度计算式如下 : 式 8 P 1 V 1 =P 0 V 0 上式中 :P 1 为当活塞处于下止点时真空泵内的压力,KPa V 1 为当活塞处于下止点时系统容积,m 3 P 0 为实验地大气压强,89.393KPa V 0 为活塞处于上止点时的系统初始容积,m 3 将各参数代入式 8 得 :P 1 (0.014S+0.09S+V mdqg +V bjs )= (0.014S+V mdqg +V bjs ) 上式中 :V mdqg 为脉动气管容积 m 3 S 为活塞面积 m 2 V bjs 为奶杯壁间室容积 m 3-2 -

图中 1 为曲柄,2 是活塞,3 为真空泵汽缸曲柄 AB 的转动, 引起活塞 2 与汽缸 3 的相对位移若曲柄 AB 转过的夹角为 β, 则结构关系如图 3 根据对挤奶机的结构参数测量, 已知曲柄 AB 支架杆 CD 机座距离 AC, 求随着曲柄的转动, 活塞与气

3 求得 P 1 =55.75 KPa 真空度高于挤奶所要求的真空度根据国家标准规定, 真空系统允许有 5% 以内的泄漏量 [4], 而真空度仍可达到 52.96KPa, 故真空泵完全可以满足挤奶真空度的要求 2.2 阀体尺寸的确定根据挤奶机工作的要求, 阀球必须保证在恰当的时候完成开闭动作上球阀尺寸的确定上阀球的开闭主要取决于壁间室压力的大小, 其主要作用是将气缸内多余的气体排出, 以避免对牛乳头的过度挤压, 同时为下一个挤奶周期在真空泵内造成一个稳定合理的起始压力由图 4 可知, 球阀的上端接通大气, 球阀座孔下端连通壁间室, 故球阀受到的作用力有自重 G1 阀座支持力 N S 大气压强 P 0 和壁间室压强 P bjs 当球阀开启时 N S =0, 此时的受力方程为 : Δ Ps=P bjs -P 0 =4m s g/πds 2, 式中 :m s - 上球阀质量,kg;ds- 上球阀座孔直径,m; Δ Ps- 上球阀开启压差,Pa 若球阀座孔 ds 尺寸保持不变, 则上球阀的开启压差 Δ Ps 取决于球阀的质量,m s 的值越大, 所需要的开启压差也就越大, 壁间室的最大压力也会相应升高为避免对牛乳头的过度挤压, 国外有将奶杯内套压扁时的壁间室真空度与套内的真空度之差 ED 值作为挤奶机的性能指标之一, 其推荐值一般在 15kPa~kPa [5] 因此应当合理地选取球阀质量 m s 对于同种材质的球阀而言, 球阀质量 ms 取决于球阀直径的大小参考原机汽缸球阀及其座孔尺寸, 初取脉动器上阀球直径 10mm, 上球阀座孔 8mm 通过试验确定下球阀尺寸下球阀尺寸的确定由于下球阀的尺寸直接决定了奶桶真空度的大小奶桶真空度太高会造成 ED 值过大, 而真空度太低可能造成挤奶过程中奶杯脱落根据活塞式挤奶机使用说明书, 一般挤奶时奶 [4] 桶真空度要在 50Kpa 左右, 略高于国家标准规定的最大奶流时合理挤奶真空度 32~Kpa 的要求 ( 此条件下可达到挤奶快速柔和且挤奶完全 ) 以奶桶的工作真空度要求为依据, 通过试验选取下阀球及阀球座孔尺寸根据文献 [6], 考虑到球阀应当能够正常开启, 其尺寸不应超过 15mm 故选取小于 15mm 的阀球进行试验为在同等条件下研究不同直径阀球对奶桶真空度的影响规律, 下阀球座孔先取定值 5mm( 小于最小试验阀球尺寸 ) 上阀球及其座孔尺寸也按上述条件取定值试验得到脉动器下阀球直径对奶桶真空度的影响如图 4 从图中可以获知, 随着下阀球尺寸的增加, 奶桶真空度逐渐降低对照国家标准的要求, 下阀球尺寸取 6~10mm 都可满足要求为研究下阀球座孔对奶桶真空度的影响, 取定下阀球尺寸为 10mm( 试验孔径可往小取 ), 其它条件不变的情况下进行试验图 5 反映了下阀球座孔尺寸的变化对奶桶真空度的影响可以看出当下阀座孔尺寸取的过小时真空度下降太快这主要是由于孔尺寸太小, 气阻过大根据文献 [7] 所述, 气阻过大还会造成气流不稳定因此下阀球座孔尺寸可在 6~9mm 之间选取 - 3 -

下一个挤奶周期在真空泵内造成一个稳定合理的起始压力由图 4 可知, 球阀的上端接通大气, 球阀座孔下端连通壁间室, 故球阀受到的作用力有自重 G1 阀座支持力 N S 大气压强 P 0 和壁间室压强 P bjs 当球阀开启时 N S =0, 此时的

4 真空度 kpa y = -0.9x x R 2 = 下阀球直径 mm 奶桶真空度 kpa 下阀座孔直径 mm 图 4 脉动器下球阀直径对奶桶真空度影响图 5 脉动器下球阀座孔直径对奶桶真空度影响 2.3 球阀脉动器结构参数的优选球阀优选主要采用正交试验的方法以国家标准规定的壁间室脉动真空最大真空时相比不低于 30% 最小真空时相比不低于 15% [4] 为约束条件, 采用电测技术进行测试通过对测试结果进行极差分析和方差分析可获得一组较优球阀组合 ( 上阀球 10mm, 上阀球座孔 6mm, 下阀球 10mm, 下阀球座孔 6mm) 采用以上参数尺寸进行脉动室真空性能测试, 得到的结果与原机脉动真空曲线对比, 如图真空度 (kpa) 原机脉动室真空曲线试验脉动器真空曲线最大真空下 4kpa 线最大真空下 4kpa 线. 最小真空上 4kpa 线时间 (s) 图 6 球阀脉动器与原机壁间室脉动真空对比曲线 3 结论 (1) 试验结果表明, 所设计球阀脉动器的最大真空时相比为 29.01%, 对比原机的 % 更接近于国家标准, 其它各项指标分别为 : 最小真空时相比 :27.3% 脉动频率 :69 次 /min 脉动比率 :51.3%, 均满足国家相应标准要求 (2) 给出了球阀尺寸变化对奶桶真空度的影响规律当下阀球尺寸增大时, 奶桶真空度将随之降低下阀座孔的尺寸在合理变化范围内对奶桶真空度影响并不十分明显 - 4 -

3 球阀脉动器结构参数的优选球阀优选主要采用正交试验的方法以国家标准规定的壁间室脉动真空最大真空时相比不低于 30% 最小真空时相比不低于 15% [4] 为约束条件, 采用电测技术进行测试通过对测试结果进行极差分析和方

5 (3) 设计中对原机奶桶内 50kpa 的工作真空度在国家标准许可的范围内进行了一定程度的降低, 这样有利于减小此类挤奶机 ED 超标严重的问题参考文献 [1] 朱柏林. 正确操作挤奶机避免奶牛机械性乳房炎的发生 [J]. 中国奶牛,04, 第 4 期 : [2] 梁喜凤. 活塞式挤奶机的性能测试与研究 [D]. 呼和浩特 : 内蒙古农业大学,01. [3] 李天贵. 气压传动 [M]. 北京 : 机械工业出版社,1985. [4] GB/T 挤奶机设备结构与性能 [S]. 北京 : 国家标准化管理委员会, 05. [5] 柳忠魁. 国内外奶牛挤奶设备综述 [J]. 农机情报资料,1984,(4):1 9. [6] 闫江. 活塞式挤奶机工作原理计算机辅助分析研究 [D]. 呼和浩特 : 内蒙古农业大学,02. [7] 徐炳辉. 气动手册 [M]. 上海 : 上海科学技术出版社,05. The Design and Study on The Ball-Valve Pulsator of Piston Milking Machine Liu Tao,Wang Chunguang Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot (010018) Abstract A new pulsator was designed for Piston Milking Machine to solve the existed question of it. Testing results of working properties about the new plusator show that the pulsator can be applied to the type of milking machine and work well. The percentage of maximum pulsation chamber vacuum and ED are better than the result of original machine. The paper provides a new way for improving working properties of Piston Milking Machine. Keywords:milking machine;pulsator;design - 5 -

北京 : 国家标准化管理委员会, 05. [5] 柳忠魁. 国内外奶牛挤奶设备综述 [J]. 农机情报资料,1984,(4):1 9. [6] 闫江. 活塞式挤奶机工作原理计算机辅助分析研究 [D]. 呼和浩特 : 内蒙古农业大学,02. [7] 徐炳辉. 气动手册 [M].

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Microsoft Word - A200712-813.doc 活塞式挤奶机球阀脉动器性能测试刘涛, 王春光内蒙古农业大学机电工程学院, 呼和浩特 (010018) E-mail:wcgjdy@yahoo.com.cn 摘要 : 通过对自行设计的活塞式挤奶机球阀脉动器性能进行测试, 获得了球阀尺寸对脉动真空的影响的