CC BY
30
УДК 636.034:57.084.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СЧЕТЧИКА-ДАТЧИКА ОБЩЕГО И ПОЧЕТВЕРТНОГО НАДОЯ МОЛОКА
В.В. Кирсанов, доктор технических наук Д.Ю. Павкин, аспирант ФГБНУ ФНАЦ ВИМ Е-mail: [email protected]
Аннотация. В современных условиях ведения молочного животноводства использование автоматизированных систем управления процессом доения становится все более распространенным. Предлагается модернизация известного датчика потока молока, используемого в доильном аппарате двойного вакуума Дуовак-300 фирмы «DeLaval», под датчик-счетчик для использования в составе автоматизированных линейных и станочных доильных установок. Для проведения экспериментальных исследований были разработаны специальные лабораторные стенды с системами общего и почетвертного измерения надоев молока. При помощи программного комплекса Excel были обработаны данные поискового эксперимента по выбору оптимального успокоителя потока молока, который бы обеспечивал погрешность измерения, удовлетворяющую международным требованиям. Получены зависимости погрешности измерения от скорости молокоотдачи при использовании разных типов успокоителей потока молока. Проведен полный факторный эксперимент, в котором критерием оптимизации выступает производительность счетчика-датчика потока молока. В результате исследования были определены конструктивные факторы, оказывающее наибольшее влияние на критерий оптимизации. Для анализа полученных данных использовали известную методику и программу «Mathcad». В результате было определенно, что зазор между крышкой и успокоителем должен быть равен 0,133 мм, а длина клапана-трубки составлять 94,7 мм. Ключевые слова: почетвертное доение, полный факторный эксперимент, счетчик молока, погрешность.
Введение. В принятых Россельхозакаде-мией направлениях развития механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства на период до 2020 года отмечено, что развитие техники и технологии для животноводства должно идти на основе создания принципиально новой инженерной базы. При этом одной из первоочередных задач повышения эффективности молочного животноводства является увеличение с 2 до 22% удельного веса доения коров в залах на автоматизированных установках, оборудованных средствами управления и индивидуального учета [1].
Существующие методы и технические средства решения подобных задач недостаточно эффективны и не отвечают современным требованиям. Правильный подход при обслуживании коров невозможен без качественного проведения такой технологически необходимой операции при машинном доении коров, как контроль качества молока и
индивидуальных надоев, который по своей важности занимает первое место после самой операции извлечения молока [2].
Методика оптимизации конструктивных параметров общего и почетвертного счетчика датчика потока молока. В результате проведения предварительных поисковых экспериментов нами был отобран датчик потока молока, разработанный фирмой «DeLaval», который выпускается в России в составе доильного аппарата Нурлат (прототип известного доильного аппарата Дуовак-300). Он был доработан под счетчик индивидуального надоя молока, который планируется также использовать для почетвертного контроля потока молока от каждой доли вымени в новом разрабатываемом доильном аппарате. Апробация его применения на линейных доильных установках показала наличие интенсивного пенообразования, вызывающего снижение пропускной способности устройства (до 3,5-4 л/мин) при интенсивной
молокоотдаче и возникновение высокой погрешности измерения до 10-15%, что неприемлемо для устройств подобного типа. В результате анализа была выявлена необходимость оптимизации конструктивных параметров успокоителя потока молока с целью минимизации воздействия на поплавковый механизм и снижения погрешности измерения [3]. Для экспериментальной проверки устройства был изготовлен специальный стенд (рис. 1) и опытный образец почетверт-ной доильной установки (рис. 2).
Г.
4 Л
" I
Г-5
3/
Рис. 1. Стенд для исследования производительности счетчика-датчика потока молока: 1 - контроллер доения, 2 - компьютер, 3 - весы, 4 - измерительная емкость, 5 - счетчик-датчик молока
Рис. 2. Лабораторный образец почетвертной
доильнои системы
Стенд включает контроллер управления доением 1 для осуществления алгоритма доения и измерения количества молока, компьютер 2 для регистрации импульсов, получаемых от датчика Холла, электронные весы 3 для регистрации начального и конечного количества молока, измерительная емкость 4 для измерения фактического количества молока, счетчик-датчик потока молока 5, блок питания «ШегРик». Результаты измерения производительности регистрировали в памяти компьютера. Вакуумметрическое давление устанавливали равным 48±0,1 кПа. Факторы, оказывающие значительное влияние на критерий оптимизации, а также уровни их варьирования, приведены в таблице 1.
За параметр оптимизации принимали производительность счетчика-датчика потока молока. Для проведения исследований принимаем схему полного факторного эксперимента. В основу матрицы планирования эксперимента был положен эксперимент 22 [4]. Измерение осуществляли следующим образом.
Согласно матрице планирования эксперимента и таблице 1 варьирования факторов устанавливали зазор между рассекателем и клапаном и включали электронный контроллер управления доением, электронные весы, блок питания «ШегРик» и компьютер. Затем настраивали вакуумметрическое давление 48+0,1 кПа. После этого включали программу регистрации в компьютере данных измерений импульсов от счетчика-датчика потока молока, также снимали разницу данных между начальным значением надоев и конечным на весах и снимали показания с контроллера доения, работающего по определенному алгоритму. Измерения параметров осуществляли с трехкратной повторностью. Затем производили следующую настройку стенда и эксперимент повторяли.
Результаты проведения поискового эксперимента по выбору успокоителя потока молока. В ходе предыдущих исследований в счетчике молока (рис. 3) было определенно высокое пенообразование, влияние которого можно было уменьшить решением следующих задач:
1. Совершенствование расчетной формулы алгоритма управления [5];
2. Выбор типа успокоителя, который снизит образование пены без ущерба для производительности;
3. Оптимизация конструкционных элементов почетвертного счетчика-датчика потока молока.
Результаты обработки полного факторного эксперимента 22. Исследование производительности счетчика-датчика потока молока осуществляли в соответствии с методикой, изложенной ранее. После выбора плана эксперимента, основных уровней и интервалов варьирования факторов перешли к эксперименту. Порядок проведения опытов выбирали по таблице случайных чисел [6,7,8]. Составим матрицу опыта
X =
1 -1-1 1 11-1-1
1 -1 1
(1)
Рис. 3. Технологическая схема счетчика-датчика потока молока: 1 - корпус стакана; 2 - приемный патрубок; 3 - выходной патрубок; 4 - успокоитель потока; 5 - полый шток-клапан; 6 - пазы-проходы; 7 - кольцевой магнит; 8 - электромагнитная катушка; 9 - поплавок; 10 - плоский магнит; 11 - направляющие стойки; 12 - контроллер доения; 13 - нижний датчик Холла; 14 - верхний датчик Холла
Было проверено несколько типов успокоителей с построением зависимостей погрешности измерений от интенсивности молоко-отдачи (рис. 4). На рисунке видно, что погрешность измерений счетчика молока с тарельчатым рассекателем не превышает 5%, в то время как у ^образного достигает 27%, а у рассекателя в виде зонта на той же скорости потока - 8,7%. Исходя из этих данных, для дальнейших исследований выбираем тарельчатый рассекатель. Однако было замечено, что при большой производительности существующая расчетная формула [3] алгоритма учета молока не обеспечивает требуемой точности измерений.
1 1 1 1 После реализации полного факторного эксперимента (таблица 1) и получения критериев оптимизации проведена обработка результатов. Расчетное значение критерия Кохрена (Ср=0,754) оказалось меньше табличного (Gr=0,7679), поэтому построенные дисперсии считаем однородными, а воспроизводимость эксперимента удовлетворительной. После сравнения ¿расч и t-габл = 2,3 и отсеивания статистически незначимых коэффициентов уравнение регрессии имеет следующий вид:
у = 6424 + 106Х1 - 109Х2 - 118Х1 • Х2 (2) За критерий оптимизации принята производительность счетчика молока, измеряемая в л/мин. Для проверки адекватности окончательно принятой математической модели был произведен расчет критерия Фишера (Ррас = 14,2), величина оказалась меньше табличного значения [9]. Поэтому можно считать, что уравнение (2) адекватно характеризует процесс.
Для анализа факторов влияния на производительность использовали поверхность отклика (рис. 5), для нахождения оптимальных значений уровней факторов использовали «Matead». В результате решения этой задачи было установлено, что оптимальные величины независимых переменных, влияющих на критерий оптимизации, после декодирования равны (табл. 2).
Найденные оптимальные конструктивные параметры основных элементов счетчика-датчика потока молока использовали при изготовлении опытного образца счетчика-датчика потока молока.
Погрешность
30,0%
25,0% 20,0%% 15,0% 10,0% 5,0% 0,0%
гмсммспгм^тш^^-ннщ^тт
00 00 00 ^ 0, 0, 0, 1
^ о, о,
ГЧ О! ГО
333
Скорость потока, л/мин
----Т-образный рассекатель
--Рассекатель в виде зонта
-Тарельчатый рассекатель
Рис. 4. Погрешность счетчика молока при использовании разных типов успокоителей
Таблица 1. Факторы и уровни их варьирования
Факторы Обозначения Кодированные обозначения Натуральные уровни факторов
Верх-ний+1 Нижний -1
Зазор между крышкой и успокоителем, мм Ь XI 3.5 0
Длина клапана, мм 1 Х2 95 89
6643.
6530—,
6416
бзо:
Таблица 2. Оптимальные значения основных конструктивных элементов счетчика-датчика потока молока
Обозначение Наименование фактора Оптимальное значение
X! Зазор между крышкой и успокоителем, мм 94,7
X2 Длина клапана, мм 0,133
Рис. 5. Функция отклика
Выводы.
1. Модернизация известного датчика потока молока под датчик-счетчик показала возможность его использования в составе новых типов автоматизированных доильных аппаратов с автоматическим отключением и снятием доильного аппарата как на линейных, так и в составе станочных доильных установок типа «Елочка», а также в новых системах почетвертного доения.
2. В исследуемом счетчике для получения минимальной погрешности при скорости потока до 5 л/мин необходимо использовать тарельчатый успокоитель потока молока. Для обеспечения бесперебойной работы при максимальной производительности необходимо использовать следующие значения основных конструктивных элементов: зазор между крышкой и успокоителем 0,133 мм, длина клапана 94,7 мм.
Литература:
1. Цой Ю.А., Кирсанов В.В., Петренко А.П. Функционально-стоимостной анализ роботизированных систем и выбор альтернативных вариантов добровольного доения коров // Техника и оборудование для села. 2014. №8(206).
2. Кирсанов В.В., Щукин СЛ., Легеза В.Н. Направления совершенствования исполнительных механизмов доильных установок // Достижения науки и техники АПК. 201 о' №1. С. 64-65.
3. Цой Ю.А., Кирсанов В.В., Павкин Д.Ю. Разработка счетчика индивидуальных надоев молока, удовлетворяющего требованиям международной организации 1САЯ // Техника и оборудование для села. 2015. №7.
4. Маркова Е.В. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей. М., 1973. 220 с.
5. Цой Ю.А., Кирсанов В.В., Павкин Д.Ю. Обоснование параметров устройства для измерения скорости молочного потока и индивидуальных надоев молока // Науковий вюник нубш украши. 2015. №209-1. С. 200.
6. Барский А.Л., Плаксин П.П. Критерий оптимизации разделительных процессов. М., 1967.
7. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М„ 1969. 159 с.
8. Мельников С.В., Алешин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследовании сельскохозяйственных процессов. Л., 1980. 166 с.
9. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М., 1981.
Literatura:
1. Coj YU.A., Kirsanov V.V., Petrenko A.P. Funkcional'-no-stoimostnoj analiz robotizirovannyh sistem i vybor al'-ternativnyh variantov dobrovol'nogo doeniya korov // Te-khnika i oborudovanie dlya sela. 2014. №8(206).
2. Kirsanov V.V., SHCHukin S.I., Legeza V.N. Napravle-niya sovershenstvovaniya ispolnitel'nyh mekhanizmov doil'nyh ustanovok // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2010. №1. S. 64-65.
3. Coj YU.A., Kirsanov V.V., Pavkin D.YU. Razrabotka schetchika individual'nyh nadoev moloka, udovletvoryay-
ushchego trebovaniyam mezhdunarodnoj organizacii ICAR // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2015. №7.
4. Markova E.V. Planirovanie ehksperimenta v usloviyah neodnorodnostej. M., 1973. 220 s.
5. Coj YU.A., Kirsanov V.V., Pavkin D.YU. Obosnovanie parametrov ustrojstva dlya izmereniya skorosti moloch-nogo potoka i individual'nyh nadoev moloka // Naukovij visnik nubip ukraini. 2015. №209-1. S. 200.
6. Barskij A.L., Plaksin I.P. Kriterij optimizacii razdeli-tel'nyh processov. M., 1967.
7. Adler YU.P. Vvedenie v planirovanie ehksperimenta. M., 1969. 159 s.
8. Mel'nikov S.V., Aleshin V.R., Roshchin P.M. Planirovanie ehksperimenta v issledovanii sel'skohozyajstven-nyh processov. L., 1980. 166 s.
9. Spiridonov A.A. Planirovanie ehksperimenta pri issle-dovanii tekhnologicheskih processov. M., 1981.
THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES ON COMMON AND QUARTER MILK YIELD
COUNTER-SENSOR'S IMPROVING V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences D.Y. Pavkin, post graduate student FGBNY FNAZ of VIM
Abstract. In modern dairy farming milking automated process control systems using is becoming more common. The modernization of milk flood's existing sensor used in milking machine of double vacuum Duovac-300 of the company "DeLaval" into sensor-counter for automated linear and machine milking units using is suggested. For experimental studies holding it were designed special laboratory stands with common and udder-quarter milk measuring systems. With the Excel software complex helping were processed the data of search experiment for the milk flow optimum damper select, which would ensure a measurement error satisfying the international requirements. The maximize speed's error of measurements dependences at different types of dampers using for the milk flow are given. A full factorial experiment, in which the optimization criterion of milk performance is counter-flow sensor, is conducted. The study was determined the constructive factors having the greatest impact on the optimization of criterion. For the analysis of the received data it was used well-known methodology and "Mathcad" programme. In the result it was clearly defined that the gap between the cover and the stator must be equal to 0,133 mm and the length of the valve-tube to be of 94,7 mm.
Keywords: udder-quarter milking, full factorial experiment, the milk-meter, an error.
