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 变 化 规 律, 运 用 正 交 实 验 分 析 方 法 对 其 主 要 结 构 参 数 进 行 了 优 化, 获 得 了 较 为 理 想 的 性 能 参 数 为 该 类 挤 奶 机 的 进 一 步 研 究 提 供 了 基 础 关 键 词 : 挤 奶 机 ; 球 阀 ; 脉 动 器 ; 性 能 测 试 中 图 分 类 号 :S817.2+1 由 于 价 格 低 廉, 使 用 灵 活 方 便 等 优 点, 活 塞 式 挤 奶 机 在 我 国 中 小 型 个 体 养 牛 户 中 应 用 十 分 广 泛 但 使 用 过 程 中 也 有 部 分 用 户 反 映, 使 用 活 塞 式 挤 奶 机 挤 奶, 奶 牛 更 容 易 出 现 奶 牛 乳 房 炎 这 当 中 固 然 有 人 为 因 素 卫 生 条 件 等 方 面 的 影 响 [1], 但 是 挤 奶 机 本 身 的 结 构 及 附 件 ( 脉 动 器 真 空 泵 集 乳 器 奶 衬 奶 杯 电 机 等 ) 质 量 都 有 一 定 相 关 性 [2] 本 文 在 自 行 设 计 的 活 塞 式 挤 奶 机 球 阀 脉 动 器 基 础 上, 运 用 电 测 技 术 对 其 产 生 的 真 空 度 变 化 规 律 进 行 了 研 究, 经 过 正 交 实 验 得 出 较 为 满 意 的 一 组 球 阀 参 数 在 挤 奶 真 空 等 各 项 性 能 指 标 上 更 接 近 于 国 家 标 准 的 要 求 1 测 试 对 象 及 工 作 原 理 自 行 设 计 的 脉 动 器 如 图 1 所 示 挤 奶 过 程 是 由 活 塞 与 上 下 球 阀 的 开 启 与 关 闭 配 合 来 实 现 脉 动 真 空 工 作 过 程 中, 当 活 塞 下 行 时, 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, 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, 上 球 阀 开 始 处 于 关 闭 状 态, 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 通 过 正 交 实 验 需 要 确 定 合 适 的 阀 球 和 阀 座 孔 的 尺 寸 连 通 大 气 接 奶 杯 壁 间 室 连 真 空 泵 气 缸 接 奶 杯 内 套 1 上 球 阀 座 孔 2 上 球 阀 3 上 阀 体 4 下 球 阀 5 下 阀 体 6 下 球 阀 座 孔 7 排 气 调 整 阀 接 口 接 奶 桶 图 1 活 塞 式 挤 奶 机 球 阀 脉 动 器 结 构 图 - 1 -
2 测 试 目 的 及 方 法 通 过 测 定 球 阀 脉 动 器 不 同 结 构 参 数 条 件 下 奶 杯 壁 间 室 真 空 度 的 变 化 规 律, 找 到 符 合 奶 牛 泌 乳 特 性 的 上 下 球 阀 及 其 座 孔 参 数 的 组 合 测 试 采 用 BME1100 型 扩 散 硅 压 力 传 感 器 WY-300L 位 移 传 感 器, 由 MR-30C 磁 带 记 录 仪 进 行 记 录 通 过 BK2034 信 号 分 析 仪 提 取 信 号 进 行 分 析, 获 得 壁 间 室 真 空 度 相 对 于 活 塞 变 化 规 律 为 保 证 测 试 的 准 确, 在 测 前 对 传 感 器 进 行 了 重 新 标 定 试 验 采 用 正 交 试 验 法 来 进 行, 分 析 各 组 测 得 的 数 据 计 算 脉 动 比 率 最 大 最 小 真 空 时 相 比 和 ED 值 [3], 确 定 最 佳 结 构 参 数 组 合 本 次 试 验 的 影 响 因 素 主 要 有 上 球 阀 直 径 上 球 阀 座 孔 直 径 和 下 球 阀 直 径 下 球 阀 座 孔 直 径 四 个 因 素 由 于 球 阀 的 直 径 和 球 阀 座 孔 的 直 径 存 在 一 定 关 联, 球 阀 直 径 必 须 大 于 球 阀 座 孔 的 直 径, 因 此 选 取 参 数 时 必 须 保 证 球 阀 和 球 阀 座 孔 都 可 以 进 行 搭 配 使 用, 这 就 限 制 了 球 阀 直 径 不 能 取 值 过 小 若 球 阀 直 径 取 值 过 大, 又 不 能 起 到 正 常 开 闭 的 作 用 试 验 因 素 水 平 表 见 表 1: 对 于 四 因 素 三 水 平 的 试 验, 可 选 用 L9(34) 正 交 试 验 表 进 行 试 验 [4] 表 1 试 验 因 素 水 平 表 因 素 1 水 平 2 水 平 3 水 平 A 上 球 阀 直 径 (mm) 8 9 10 B 上 球 阀 座 孔 直 径 (mm) 5 6 7 C 下 球 阀 直 径 (mm) 8 9 10 D 下 球 阀 座 孔 直 径 (mm) 5 6 7 3 试 验 结 果 及 分 析 对 各 组 试 验 数 据 进 行 计 算 分 析, 可 得 脉 动 比 率 最 大 真 空 时 相 比 和 最 小 真 空 时 相 比 其 性 能 指 标 数 据 见 表 2 表 2 各 组 试 验 结 果 列 表 试 验 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 脉 动 比 率 % 57.31 57.53 56.94 59.11 58.38 56.29 58.26 56.98 59.25 最 大 真 空 时 相 比 % 最 小 真 空 时 相 比 % 27.09 27.45 27.28 26.64 29.18 25.81 28.37 26.19 27.64 17.02 16.69 16.24 17.38 16.04 17.87 17.84 19.81 18.32 采 用 极 差 分 析 法 对 表 2 结 果 进 行 分 析, 分 析 数 据 时 分 别 将 各 组 试 验 的 相 同 水 平 所 对 应 的 指 标 值 相 加 求 和 并 求 出 对 应 指 标 之 下 的 各 因 素 不 同 水 平 的 极 差 R 值 计 算 结 果 见 表 3-2 -
根 据 极 差 值 的 大 小 可 以 确 定 出 哪 种 因 素 对 相 应 指 标 的 影 响 最 为 显 著, 同 时 对 于 同 一 指 标 而 言, 相 同 因 素 不 同 水 平 对 指 标 的 影 响 规 律 亦 可 获 得, 并 可 通 过 极 差 分 析 找 到 合 理 的 参 数 组 合 针 对 各 指 标 的 分 析 如 下 : 表 3 极 差 分 析 表 项 目 上 球 阀 上 球 阀 座 孔 下 球 阀 下 球 阀 座 孔 1 水 平 和 81.82 82.1 79.09 83.91 最 大 真 空 时 相 比 2 水 平 和 81.63 82.82 81.73 81.63 3 水 平 和 82.2 80.73 84.83 80.11 极 差 R 0.38 2.09 5.74 3.8 1 水 平 和 49.95 52.24 54.7 51.38 最 小 真 空 时 相 比 2 水 平 和 51.29 52.54 52.39 52.4 3 水 平 和 55.97 52.43 50.12 53.43 极 差 R 6.02 0.19 4.58 2.05 1 水 平 和 171.78 174.68 170.58 174.94 脉 动 比 率 2 水 平 和 173.78 172.89 175.89 172.08 3 水 平 和 174.49 172.48 173.58 173.03 极 差 R 2.71 2.2 5.31 2.86 3.1 阀 体 结 构 参 数 对 最 大 真 空 时 相 比 的 影 响 从 极 差 R 的 数 值 大 小 分 析 可 以 看 出, 下 球 阀 直 径 的 大 小 对 于 最 大 真 空 时 相 比 影 响 最 为 明 显, 其 次 是 下 球 阀 座 孔 直 径 的 影 响, 而 上 球 阀 与 上 球 阀 座 孔 参 数 对 最 大 真 空 时 相 比 的 影 响 并 不 明 显 对 于 影 响 较 为 明 显 的 下 球 阀 与 下 球 阀 座 孔 分 析 其 影 响 规 律 可 以 发 现 下 球 阀 直 径 增 加 最 大 真 空 时 相 比 相 应 增 大, 这 是 由 于 当 下 球 阀 直 径 增 大, 其 开 启 时 间 将 会 相 对 减 少, 壁 间 室 最 大 真 空 加 大 当 活 塞 上 行, 壁 间 室 真 空 度 降 至 4KPa 以 下 的 时 间 延 长, 最 大 真 空 时 相 比 相 应 增 加 而 球 阀 脉 动 器 下 球 阀 座 孔 直 径 尺 寸 对 最 大 真 空 时 相 比 的 影 响 为 : 当 球 阀 座 孔 增 大, 球 阀 开 启 相 对 容 易, 开 启 时 间 提 前, 壁 间 室 最 大 真 空 度 下 降, 且 开 启 后 奶 桶 内 气 体 容 易 快 速 流 入 壁 间 室 造 成 真 空 度 的 迅 速 下 降, 因 此 下 球 阀 座 孔 对 最 大 真 空 时 相 的 影 响 呈 下 降 趋 势 为 观 察 主 要 影 响 因 素 的 作 用 是 否 显 著, 进 行 方 差 分 析, 下 球 阀 直 径 与 下 球 阀 座 孔 直 径 对 最 大 真 空 时 相 比 的 影 响 显 著 性 检 验 计 算 结 果 如 下 : 表 4 最 大 真 空 时 相 比 方 差 分 析 表 方 差 来 源 因 素 变 动 平 方 和 误 差 变 动 平 方 和 F 值 显 著 性 下 球 阀 直 径 5.5 3.25 5.077 强 下 球 阀 座 孔 直 径 2.44 6.31 1.159 较 弱 根 据 f A( 因 素 变 动 平 方 和 的 自 由 度 ) f 误 ( 因 素 误 差 变 动 平 方 和 的 自 由 度 ) 查 F 临 界 值 表 可 得 : F 0.25 (2,6)=1.76;F 0.05 (2,6)=5.14;F 0.01 (2,6)=10.92-3 -
通 过 以 上 计 算 分 析 可 知, 对 应 于 最 大 真 空 时 相 比 这 一 指 标 而 言, 影 响 最 显 著 的 是 下 球 阀 直 径 至 少 有 75% 的 概 率 保 证 这 一 因 素 影 响 是 显 著 的 3.2 阀 体 结 构 参 数 对 最 小 真 空 时 相 比 的 影 响 根 据 表 3 数 据 分 析 可 知, 对 于 最 小 真 空 时 相 比 影 响 最 为 显 著 的 是 上 球 阀 直 径, 极 差 值 R=6.02, 其 次 的 影 响 因 素 是 下 球 阀 直 径, 极 差 R 为 4.58 上 球 阀 座 孔 与 下 阀 座 孔 的 直 径 对 最 小 真 空 时 相 比 影 响 并 不 十 分 明 显 随 着 上 球 阀 直 径 增 大, 最 小 真 空 时 相 比 也 相 应 增 大, 这 是 由 于 当 上 球 阀 直 径 增 大, 球 阀 不 易 被 打 开, 从 奶 桶 进 入 壁 间 室 的 气 体 排 出 困 难, 所 以 壁 间 室 最 大 压 力 值 增 大, 这 与 空 载 稳 定 运 行 时 的 情 况 刚 好 相 反 活 塞 从 上 止 点 下 行 时 压 力 下 降 较 慢, 故 最 小 真 空 时 相 比 随 上 球 阀 增 大 而 增 大 而 下 球 阀 直 径 加 大, 最 小 真 空 时 相 比 基 本 呈 线 性 下 降 趋 势 当 下 球 阀 增 大, 开 启 压 差 增 大, 下 球 阀 开 启 时 间 缩 短, 会 使 总 流 入 壁 间 室 的 气 体 量 减 少 若 奶 桶 流 入 壁 间 室 的 气 体 减 少 壁 间 室 最 大 压 力 下 降, 上 球 阀 开 启 时 间 缩 短, 最 小 真 空 时 相 比 减 少 但 从 另 一 个 角 度 讲, 若 下 球 阀 开 启 压 差 加 大, 相 应 单 位 时 间 内 流 入 壁 间 室 气 体 量 增 加, 则 壁 间 室 最 大 压 力 增 加, 从 而 导 致 最 小 真 空 时 相 比 增 加, 所 以 二 者 之 间 存 在 着 矛 盾, 关 键 在 于 哪 种 因 素 占 主 导 地 位 对 上 球 阀 直 径 和 下 球 阀 直 径 两 因 素 进 行 方 差 分 析, 确 定 显 著 性 概 率 计 算 结 果 见 下 表 : 表 5 最 小 真 空 时 相 比 方 差 分 析 表 方 差 来 源 因 素 变 动 平 方 和 误 差 变 动 平 方 和 F 值 显 著 性 上 球 阀 直 径 6.66 4.21 4.743 强 下 球 阀 直 径 3.5 7.37 1.425 较 弱 3.3 阀 体 结 构 参 数 对 脉 动 比 率 的 影 响 由 表 3 可 知, 对 脉 动 比 率 的 影 响 最 大 的 因 素 为 下 球 阀, 其 次 为 下 球 阀 座 孔 根 据 脉 动 比 [5] 率 和 最 大 真 空 时 相 比 的 定 义 可 以 发 现 二 者 存 在 着 一 定 的 相 关 性, 因 此 其 变 化 规 律 也 基 本 相 同 对 脉 动 比 率 影 响 较 大 的 下 球 阀 直 径 和 下 球 阀 座 孔 直 径 两 因 素 进 行 方 差 分 析, 结 果 如 下 : 表 6 脉 动 比 率 方 差 分 析 表 方 差 来 源 因 素 变 动 平 方 和 误 差 变 动 平 方 和 F 值 显 著 性 下 球 阀 直 径 4.73 3.64 3.9 较 强 下 球 阀 座 孔 直 径 1.42 6.95 1.425 较 弱 3.4 关 于 最 优 组 合 的 分 析 根 据 试 验 结 果 可 以 看 出 在 试 验 参 数 的 选 取 变 动 范 围 之 内, 最 小 真 空 时 相 比 和 脉 动 比 率 都 可 以 满 足 国 家 标 准 规 定 的 挤 奶 机 性 能 要 求 而 最 大 真 空 时 相 比 却 没 有 达 到 国 家 标 准 要 求 的 大 于 等 于 30% 的 要 求 [6], 在 试 验 结 果 中 只 有 第 五 次 和 第 七 次 的 试 验 结 果 较 为 接 近 30%, 分 别 为 29.18% 和 28.37% 他 们 对 应 的 脉 动 阀 结 构 参 数 ( 上 球 阀, 上 球 阀 座 孔, 下 球 阀, 下 球 阀 座 孔 ) 为 (9,6,10,5) 和 (10,5,10,6) 为 确 保 气 体 流 动 的 稳 定 性, 球 阀 座 孔 的 直 径 不 应 小 于 6mm [7] 因 此 对 于 上 下 球 阀 座 孔 可 选 取 相 近 的 6mm 而 由 以 上 分 析 结 果 可 知 : 上 球 阀 直 径 取 大 值 有 利 于 增 加 最 大 真 空 时 相 比, 故 可 取 较 大 值 10mm 所 以 采 用 (10,6, 10,6) 为 参 数 的 球 阀 脉 动 器 进 行 测 试, 其 脉 动 曲 线 见 图 2 对 比 原 活 塞 挤 奶 机 的 脉 动 曲 线 - 4 -
将 二 者 壁 间 室 脉 动 记 录 曲 线 放 入 同 一 图 中 60 50 40 真 空 度 (kpa) 30 20 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 2 球 阀 脉 动 器 与 原 机 壁 间 室 脉 动 真 空 对 比 曲 线 通 过 图 2 分 析 可 知 : 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 基 本 相 同 ( 最 小 真 空 时 相 比 :27.3% 脉 动 频 率 :69 次 /min 脉 动 比 率 :51.3%), 且 满 足 国 家 相 应 标 准 要 求 4 结 论 (1) 由 原 机 脉 动 曲 线 和 自 行 设 计 脉 动 器 的 脉 动 曲 线 可 以 看 出, 不 论 是 最 大 真 空 时 相 比 最 小 真 空 时 相 比 或 是 脉 动 比 率 的 变 化 范 围 都 十 分 有 限, 所 以 脉 动 阀 结 构 参 数 对 壁 间 室 压 力 是 有 一 定 影 响, 但 不 是 最 主 要 的 影 响 因 素 对 于 最 大 真 空 时 相 比 偏 低 的 问 题, 最 好 从 决 定 活 塞 运 动 方 式 的 曲 柄 摇 块 机 构 入 手 (2) 球 阀 脉 动 器 的 最 大 壁 间 室 真 空 度 低 于 原 机 的 最 大 真 空 度 但 在 国 标 推 荐 的 挤 奶 机 运 行 正 常 真 空 工 作 范 围 之 内, 因 此 出 奶 速 率 不 会 受 太 大 影 响 (3) 通 过 脉 动 器 上 的 排 气 阀 孔 可 以 实 现 降 低 奶 杯 内 套 真 空 度 的 目 的 因 此 可 以 在 此 位 置 安 装 一 限 压 阀, 当 奶 桶 真 空 度 过 大 时 自 动 打 开, 即 可 以 在 一 定 范 围 内 降 低 此 类 挤 奶 机 ED 值 过 大 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,2004, 第 4 期 :52-53. [2] 刘 希 锋. 移 动 式 ( 小 推 车 式 ) 挤 奶 机 选 用 有 门 道 [N]. 黑 龙 江 科 技,2005 年 4 月 4 日 ( 第 002 版 ). [3] JB/T 9808.1-1999 奶 用 真 空 泵 技 术 条 件 [S]. 北 京 : 家 机 械 工 业 局, 1999 [4] 正 交 试 验 法 编 写 组. 正 交 试 验 法 [M]. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社,1976.12-13 [5] 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,2001. [6] GB/T 8186-2005 挤 奶 机 设 备 结 构 与 性 能 [S]. 北 京 : 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会, 2005 [7] 气 动 工 程 手 册 编 委 会. 气 动 工 程 手 册 [Z]. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社.1996,Vol 15No. 5-5 -
The Measurement on Properties of Pulsator of Piston Milking Machine Liu Tao,Wang Cunguang Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot (010018) Abstract An pulsator using for piston milking machine was designed independently. The method of orthogonality experiment was used in order to obtain optimal parameters of structure of the pulsator and the interrelated regularities affected by different structure factors of the pulsator. The experiment and research can be the base of further research. Keywords:milking machine;ball valve;pulsator;properties measurement - 6 -