CC BY
25
УДК 636.2.034: 631.3
МАГНИТОУПРАВЛЯЕМАЯ ЖИДКОСТЬ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПУЛЬСАТОРА ДОИЛЬНОГО АППАРАТА
В.Ф. УЖИК1, доктор технических наук, професор О.В. УЖИК1, кандидат технических наук, доцент Д.Н. КЛЁСОВ1, аспирант
А.А. НАУМЕНКО2, кандидат технических наук, профессор
А.А. ЧИГРИН2, кандидат технических наук, доцент белгородская ГСХА им. В.Я. Горина, Россия, Белгородская обл., Белгородский р-н, пос. Майский, ул. Вавилова, д.1.
2Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко, Украина, Харьков, ул. Артема, 44
E-mail: [email protected]
Резюме. Источник генерируемых импульсов вакуумме-трического давления в разработанном нами адаптивном доильном аппарате для коров - гидростабилизированный пульсатор, в качестве рабочей среды в котором предложено использование магнитной жидкости. Цель наших исследований заключается в обосновании конструктивно-режимных параметров гидравлической системы пульсатора с учетом влияния на его работу магнитоуправляемой жидкости и наличия магнитного поля различной напряженности. Путем математического моделирования рабочего процесса и магнитной системы пульсатора получены уравнения, характеризующие скорость перетекания магнитной жидкости с учетом «местных» сопротивлений, коэффициент «местных» сопротивлений участков концентрации магнитной жидкости под действием магнитного поля, а также напряженность магнитного поля в контрольной точке, лежащей на оси соленоида. Методика экспериментальных исследований предусматривала проверку зависимости частоты пульсаций пульсатора от вакуумметрического давления, площади поперечного сечения кольцевого канала и силы тока в соленоиде. Данные, полученные в эксперименте, с необходимой точностью могут быть представлены в виде эмпирического уравнения, адекватного математической модели. При использовании соленоидов, изготовленных из медного провода сечением 1-10'6 м2, длиной 4,5-10'2 м, внутренним диаметром 0,7-10-2 м, наружным диаметром 4,5-10'2 м и числом витков 595, для уменьшения частоты пульсаций пульсатора с 60 до 40 пульс/мин, достаточно силы тока 4 А. Испытания доильного аппарата на молочном комплексе ОАО «Агро-Стрелецкое» Белгородского района в течение 3 мес. показали, что его применение обеспечивает снижение заболеваемости вымени коров маститом на 18...22 %. Годовой экономический эффект от использования доильного аппарата с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания в расчете на 241 гол. составляет 464,9 тыс. руб., на 1 гол. - 1929,01 руб.
Ключевые слова: пульсатор, гидростабилизированный, магнитная жидкость, магнитное поле, соленоид, градиент напряженности, частота пульсаций, ток.
Одна из важнейших особенностей развития техники на современном этапе - применение искусственных материалов с заданными свойствами, использование которых при разработке различных конструкций и технологий обеспечивает дальнейший технический прогресс.
Источник генерируемых импульсов вакуумметрического давления в разработанном нами адаптивном доильном аппарате для коров [1] - гидростабилизиро-ванный пульсатор, в качестве рабочей среды в котором предлагается использовать магнитную жидкость, относящуюся к новым техническим материалам [2, 3].
Это позволит обеспечить подстраиваемость режима работы устройства для выведения молока, в частности частоты пульсаций, к физиологическим особенностям животного.
Цель наших исследований - обоснование конструктивно-режимных параметров гидравлической системы пульсатора с учетом влияния на его работу магнитоуправляемой жидкости и наличия магнитного поля различной напряженности.
Условия, материалы и методы. При проверке зависимости частоты пульсаций пульсатора от вакуумметрического давления, площади поперечного сечения кольцевого канала и силы тока мы использовали соленоиды, изготовленные из медного провода сечением 1-10-6м2, длиной 2Ь=4,510-2 м, с внутренним диаметром двн=0,7-10-2м, наружным диаметром 0н=4,5-10-2 м и числом витков N=595. Рабочая жидкость гидравлического контура пульсатора - магнитная жидкость на основе керосина плотностью р = 1,3 г/см3, намагниченностью 1з = 73 кА/м. Исследования выполнены путем постановки факторного эксперимента с использованием известных методик [6, 7]. Силу тока в соленоидах изменяли в интервале от 0 до 4 А через каждые 2 А с точностью ±0,5 А; площадь поперечного сечения канала в трубке меняли до значений 5,16 мм2; 4,4 мм2; 3,4 мм2; вакуумметрическое давление - в диапазоне 48...50 кПа с шагом в 1 кПа и точностью ±0,2 кПа.
Производственные испытания доильного аппарата с гидростабилизированным пульсатором предлагаемой конструкции и регуляторами вакуумметрического давления доения коров в зависимости от интенсивности потока молока проводили на молочном комплексе ОАО «Агро-Стрелецкое» Белгородского района в течение 3 мес.
Магнитная жидкость кроме свойств характерных для всех жидкостей, обладает способностью очень сильно взаимодействовать с магнитным полем подобно железу и никелю. Более узкая ее характеристика - это коллоидный раствор, который получают диспергированием в воде, органической жидкости или другой жидкой среде магнитных частиц ультрамикроскопического размера, покрытых поверхностно-активным веществом (ПАВ), необходимым для стабилизации дисперсной системы. Величина подобной частицы - порядка 102 А (1 А=10-7 мм) [2, 3].
Дисперсная фаза в магнитных жидкостях - это частицы ферри- или ферромагнетиков, которые относятся к сильномагнитным веществам и намагничиваются в сравнительно слабых полях Н=(102...104) А/м. Внешнее магнитное поле ориентирует элементарные магнитные моменты в образце, и он намагничивается. Пока намагниченность сравнительно мала, она увеличивается пропорционально напряженности поля:
М=х0Н,
где х0 - коэффициент пропорциональности (начальная магнитная восприимчивость вещества), характеризующий его «податливость» процессу намагничивания.
Отсюда:
Р. Рз_(Р!-Рз)_
Рис. 1. Схема гидравлического контура пульсатора.
Пульсатор представляет собой пневмогидравличе-скую систему (рис. 1).
Переключатель поочередной подачи вакуумметри-ческого давления в пневмокамеры 1 и 2 (на рисунке не показан) кинематически связан с патрубком 7 и срабатывает в крайних точках амплитуды его движения. При подключении пульсатора к источнику вакуумметриче-ского давления Рв в пневмокамере (например 2) создается вакуумметрическое давление, воздействующее на мембрану 4 и вызывающее ее перемещение совместно с патрубком 7, который жестко соединен с обеими мембранами 3 и 4. Под действием перемещения мембран жидкость перетекает из гидрокамеры 5 в гидрокамеру 6 по каналу с кольцевой формой поперечного сечения, образованному патрубком 7 и иглой 8. Параметры режима движения жидкости изменяются в зависимости от характера «местных» сопротивлений гидравлического контура пульсатора. В связи с этим мы выделили характерные сечения (I - I), (II - II), (III - III).
Результаты и обсуждение. Уравнение энергии (уравнение Бернулли) для потока несжимаемой жидкости с неравномерным распределением скоростей (а92) и давлений (Р) по сечению для представленной системы (см. рис. 1) имеет вид [11]:
+ -Í-
I _.
3 -+ — + h
2д у 1 2д у ""»', (1)
где z1, z3 - геометрическая высота центра тяжести соответствующего сечения, м (при горизонтальном расположении системы z1 = z3); aS2/2g+P/y - гидродинамический напор, м;hz- потери полногодавления (м) в сети гидравлического контура пульсатора выражают собой энергию, затрачиваемую на преодоление сопротивлений на пути от сечения (I-I) до сечения (III-III);
Система, в которой перемещается жидкость, замкнута, и режим ее перемещения из камеры в камеру по соединяющему каналу идентичен, то есть 91 = 93. В связи с изложенным уравнение (1) примет вид: Pi Рз Y = Y+hj-'
где Р1, Р3 - статическое (абсолютное) давление в центрах тяжести живых сечений потока, Па; у - удельный вес жидкости, Н/м3.
р* ^
или =
Потери полного давления условно можно разделить на «местные» (вход жидкости в канал при внезапном сужении, выход жидкости из канала при внезапном расширении) и потери трения по длине канала. Кроме того, в конструкции пульсатора предусмотрены два соленоида 9 и 10, образующие магнитное поле, воздействующее на магнитную жидкость (однородную по концентрации и изотермичную). В последней магнитное поле создает давление, которое заключается в перемещении объема жидкости в область более сильного магнитного поля, что приводит к образованию дополнительных «местных» сопротивлений h [3].
^ магн L J
Все потери давления можно суммировать по принципу наложения потерь:
hT = h„„„ + /?„„+ Лл„ + h„ „ + ft„„„,
¿. магн в.с. ил. е.р. магн7
где hMam - потери напора в результате воздействия на магнитную жидкость магнитного поля одного из соленоидов, которые симметрично расположены относительно патрубка пульсатора, м; hgc - потери на участке внезапного сужения (I-I) при движении жидкости из гидрокамеры с круглой формой поперечного сечения в узкий канал с кольцевой формой поперечного сечения, м; h - потери по длине канала с кольцевой формой поперечного сечения, м; hB¡> - потери напора на участке внезапного расширения (III-III) при движении жидкости из узкого канала с кольцевой формой поперечного сечения в гидрокамеру с круглой формой поперечного сечения, м.
Опуская промежуточные выкладки, можно записать, что скорость 92 в кольцевом канале перетекания магнитной жидкости из гидрокамеры 5 в гидрокамеру 6 равна:
. 32vL gdl
32vL " gdl
-4
(21 Ъм
2 ff
У .
магн +Ce.c. ^^e.
(2)
где кн - поправочный коэффициент учитывающий влияние канала с кольцевой формой поперечного сечения [4]; v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; ^магн - коэффициент «местных» сопротивлений участков концентрации магнитной жидкости под действием магнитного поля [2]; С,вс - коэффициент «местных» сопротивлений на участке внезапного сужения поперечного сечения канала; С,в - коэффициент «местных» сопротивлений на участке внезапного расширения поперечного сечения канала; dг - гидравлический диаметр, м = d2 - dи, где d2 - внутренний диаметр патрубка, м; dи - диаметр иглы), м; L - длина канала, м.
Время перетекания жидкости между гидрокамерами пульсатора можно представить в виде:
í =
(3)
где V - объем перемещаемой жидкости, м3; г - время перемещения жидкости, с; Бкк - площадь поперечного сечения кольцевого канала, м2.
5
^К.К. И \ 2 и А
(4)
где б2 - внутренний диа-2 диа-
метр патрубка, м; d¡ метр иглы, м;
Так как мембрана 3 (см. рис. 1) имеет жесткий центр значительных размеров, в сравнении с самой мембраной, то объем Vможно рассчитать как объем двух усеченных конусов, то есть:
У^Ь^ + ^+ад,) (5)
где d1 - диаметр мембраны пневмогидравлической камеры, м; dц - диаметр жесткого центра мембраны, м; Ь - длина хода патрубка, м; Л - высота усеченного конуса, м, Л=Ь/2.
Время перемещения жидкости можно также представить в виде:
г = зо/п,
где п - частота пульсаций, пул/мин.
Используя эту зависимость, а также уравнения (2), (3), (4) и (5) получим формулу для расчета частоты пульсаций пульсатора:
Рис. 2. Зависимость частоты пульсов от силы тока в проводнике:--теория; -■—ур-е
регрессии; а-точки эксперимента.
где Нг (0,В) - напряженность магнитного поля в контрольной точке, лежащей на оси соленоида в удалении от его геометрического центра на расстояние г, А/м; В - отношение расстояния между геометрическим центром соленоида и контрольной точкой на оси к внутреннему радиусу соленоида, В = г/а1; j - плотность тока в проводнике, А/м2; X - коэффициент заполнения соленоида (для намотки провода круглого сечения в шахматном порядке X = 0,7.0,8); а - отношение внешнего радиуса соленоида к внутреннему, а = а2/а1; р - отношение полудлины соленоида к внутреннему радиусу, р = Ь/а1.
Задавшись геометрическими размерами соленоида легко определить площадь осевого сечения его обмотки:
5кат=2Ь(а2-а1),
32V/.
' Я*.
+ 2
Р.(К
-к.
32x1. 9*\
(6)
_9У
9
Ч^ + сС + сИ)
Коэффициент Смыат «местных» сопротивлений участков концентрации магнитной жидкости под действием магнитного поля [3] определяется уравнением:
(ц0М\дгас1Н,
ТГ
где ц0 - магнитная постоянная, Гн/м; М - намагниченность насыщения магнитной жидкости, А/м; д^Н2 - градиент магнитного поля, создаваемого соленоидом, А/м2.
Градиент напряженности магнитного поля можно определить по известному выражению:
где а1 - внутренний радиус соленоида, м; а2 - наружный радиус соленоида, м; Ь - полудлина соленоида, м.;
силу тока в проводнике 1п
I = jq, "Р
пр '
где q - поперечное сечение провода без изоляции, м2;
а также полный ток по осевому сечению соленоида
2 Ь(а2-а,)
'по '
\дгас1Нг\ =
Н, -Н,
Аг
где Н , Н - значение напряженности магнитного поля в двух точках, лежащих на оси соленоида, на расстоянии Дг одна от друга, А/м; Дг - величина шага, с которым контрольные точки удаляются от геометрического центра соленоида, м, рассчитать которые можно, используя следующее уравнение [5]:
где dпр - диаметр провода с учетом изоляции, м. Обработка результатов экспериментальных измерений показала, что полученные данные с необходимой точностью могут быть представлены в виде математической модели, которая имеет вид:
п = 3917,5768 - 80,37868, с +12,7324/ --155,36Рв -1,6128|гс/ + 2,46925((сРв - (7)
- 0,3751Ре -1,8677Б, с 2 +1,8369/2 +1,5125Р„2,
а + [ос2 + (Р+^}
-ф-ф
1 + [1 + (Р+^]2 а + [а2 + ф-^]
1 + [1 + (Р-^]2
Достижения науки и техники АПК, №7-2014
где п - частота пульс, пульс/минуту; Бкк - площадь поперечного сечения кольцевого канала, м2; I - сила тока в проводнике соленоида, А; Рв -вакуумметриче-ское давление, Па.
Проверка адекватности теоретического (6) и эмпирического уравнения (7) на ПЭВМ по критерию Фишера показала, что анализируемые модели адекватны.
Установлено, что для обеспечения номинального режима работы пульсатора при ранее приведенных параметрах соленоида на уровне 60 пульс/мин, необходимы следующие численные значения исследуемых
факторов: Рв =49,7 кПа; Бкк =4,32-10-6 м; I = 0 А. А для уменьшения частоты пульсаций с 60 до 40 пульс/мин, достаточно силы тока I =4 А (рис. 2).
Результаты производственного испытания свидетельствуют, что разработанный доильный аппарат обеспечивает снижение заболеваемости вымени коров маститом на 18.. .22 %. Годовой экономический эффект от его использования с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания в расчете на 241 гол., составляет 464,9 руб., а на 1 гол. - 1929,01 руб.
Выводы. Установлено, что при использовании соленоидов, изготовленных из медного провода сечением 1-10-6 м2, длиной 2b=4,510-2 м; внутренним диаметром 0вн=0,7-10'2м, наружным диаметром 0н=4,5-10-2 м и числом витков N=595, для обеспечения номинального режима работы пульсатора на уровне 60 пульс/мин. необходимы следующие численные значения исследуемых факторов: Рв =49,7 кПа; Бкк =4,3210-6 м; I = 0Д а для уменьшения частоты пульсаций пульсатора с 60 до 40 пульс/мин. достаточно силы тока I =4 А.
Литература.
1. 1. Патент №2328110, ЯЦ, МПКА013 5/04, 5/00. Доильный аппарат //Ужик В.Ф., Науменко А.А., Чигрин А.А., Шарко В.И. (ЯЦ). - N.2006123401/12; Заявлено 30.06.06; Опубл. 10.07.2008; Бюл. N.19.
2. 2. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости/Пер. с японск. - М.: Мир, 1993. 227 с.
3. 3. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: справ. пособие. Мн.: Высш. Шк., 1988. 184 с.
4. 4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: «Машиностроение», 1975. 559 с.
5. 5. Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов: Магнитные и механические свойства конструкций из обычных и сверхпроводящих материалов. М.: Издательство «МИР», 1971. с. 3-30.
6. 6. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969. 159 с.
7. 7. Мельников С.В., Алешин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследовании сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 166с.
MAGNETICALLY OPERATED FLUID IN HYDRAULIC SYSTEMS PULSATOR OF MILKING MACHINE'S V. Uzhik1, O. Uzhik1, D. Klesov1, A. Naumenko2, A. Chigrin2
1Belgorod State Agricultural Academy named after V.J .Gorin, Russia, Belgorod, Belgorod district, Mayskiy, Vavilov st., 1.
2Kharkov National Technical University of Agriculture named after P. Vasilenka, Ukraine, Kharkiv, str. Artem, 44 Summary. As follows from the description of our proposed adaptive milking machine for cows, the source of the generated pulses of vacuum pressure in it - hydrostabilized pulsator, as a working environment in which it is proposed to use a magnetic fluid. Therefore, the purpose and objectives of the research: study structural and regime parameters of the hydraulic system pulsator with the influence of his work of magnetically fluid and the availability magnetic fields of different strength. Mathematical modeling workflow and magnetic system of the pulsator equations are obtained, which characterizing the rate of spillover of a magnetic fluid based on local resistance, coefficient «local» resistance areas of concentration of the magnetic fluid under the influence of the magnetic field and the magnetic field strength at the reference point lying on the axis of the solenoid. Methodology for experimental studies involve testing the depending pulsation frequency of the pulsator from the vacuum pressure, cross-sectional area of the annular channel and the current strength in the solenoid. The experiment established that the received data accurately enough may be represented as an empirical equation, adequate mathematical model. Found that when using solenoids made of copper wires of 1-10'6 m2, length 4,5-10'2 m; internal diameter of 0,7-10'2 m, external diameter 4,5-10-2 m and the number of turns 595, to reduce the pulsation frequency of the pulsator from 60 to 40 pulse/min, enough the current strength 4 A. Testing of milking machine on the dairy complex «Agro - Streletskoye» Belgorod region for three months showed that it reduces the incidence of udder of mastitis 18 ... 22%. Annual economic effect of the milking machine, taking into account the total cost and completeness of milking, on the 241 head is 464,892.57 rubles, and per one head - 1929.01 rubles.
Keywords: pulsator, hydrostabilized, magnetic fluid, magnetic field, solenoid, gradient of intensity, frequency pulsations, current.
