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) E-mail:wcgjdy@yahoo.com.cn 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 :S817.2+1 0 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 (0129006) 的 资 助 - 1 -
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 6 2 2 2 2 2 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 0.65 2 0.9 65=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 )=89.393 (0.014S+V mdqg +V bjs ) 上 式 中 :V mdqg 为 脉 动 气 管 容 积 2.15 10-4 m 3 S 为 活 塞 面 积 1.33 10-2 m 2 V bjs 为 奶 杯 壁 间 室 容 积 3.2 10-4 m 3-2 -
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 2.2.1 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 2.2.2 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 -
真 空 度 kpa 50 45 35 30 25 15 y = -0.9x 2 + 11.186x + 8.4 R 2 = 0.9733 10 5 6 7 8 9 10 11 12 13 下 阀 球 直 径 mm 奶 桶 真 空 度 kpa 36 32 28 24 3 4 5 6 7 8 9 10 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 6 60 50 真 空 度 (kpa) 30 10 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 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 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 21.79 % 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) 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 :52-53. [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 8186-05 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 -