МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ ЗОЛОТНИКОВЫЙ ПУЛЬСАТОР АППАРАТА ПОПЕРЕМЕННОГО ДОЕНИЯ
MULTIPLICATIVE SPOOL PULINTER OF THE ALTERNATE MILKING UNIT

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в доильных установках. Пульсатор - это переключатель вакуума и атмосферного давления, предназначен для преобразования постоянного вакуума, создаваемого вакуумным насосом, в пульсирующий, при котором вакуум и атмосферное давление в определенные моменты сменяют друг друга и подаются через патрубки по шлангам в межстенные пульсационные камеры доильных стаканов. Без пульсатора не обходится ни одна доильная машина, и от надежности его работы зависят успех и эффективность машинного доения коров и других животных.
Эффективный пульсатор играет основную роль в доильной установке, так как его функциональность непосредственно влияет на качество доения. Простота и, следовательно, надежность и экономичность конструкции пульсатора также важны, учитывая его повсеместное широчайшее применение в агропромышленности.
По порядку воздействия на доильные стаканы существует два класса пульсаторов: одновременного, или синхронного доения, и попеременного, или асинхронного. Работа пульсатора определяется двумя основными параметрами: частотой пульсаций и соотношением тактов разрежения-сжатия.
В настоящее время общепризнано, что пульсаторы асинхронного типа оптимальны по многим критериям. Целый ряд обстоятельств тому причиной. Во-первых, механизм их работы ближе всего к естественному получению молока, не влечет стресса для коровы, обеспечивает ее комфорт и позволяет быстрее приучить к машинному доению. Благодаря этому удои могут повышаться на 20-30%. Во-вторых, такие устройства щадяще воздействуют на соски и вымя, не провоцируют развитие маститов, не создают травм. Наконец, они более стабильны, просто обслуживаются и долговечны. Использование же в прошлом пульсаторов синхронного доения объясняется их дешевизной и тем, что традиционно выпускаемые доильные аппараты были «заточены» именно под такой тип пульсаторов /Королев В.Ф. Доильные машины: Теория, конструкция и расчет. Изд-во «Машиностроение». М., 1969. - 279 с./. Золотниковые пульсаторы попеременного (асинхронного) доения гораздо более функциональны, а также надежны по конструкции, чем широко применяемые ранее мембранно-клапанные, входящие в устройства одновременного (синхронного) доения. Из существующих золотниковых пульсаторов следует отметить более современные пульсаторы для установок попеременного доения / Карташов Л.П., Куранов Ю.Ф. Машинное доение коров. Изд-во «Высшая школа». М., 1980. - 223 с./. Наиболее популярны в настоящее время золотниковые пульсаторы попарного доения, например, итальянской фирмы Интерпульс и их аналоги, производящиеся повсеместно. В них используются высокоскоростные возвратно-поступательные золотники /ЕР 0009282 А1, ЕР 0241763 А2, ЕР 1336335 А2/.
Общепринято использование золотниковых пульсаторов для установок попеременного доения. Все существующие золотниковые пульсаторы совершают быстрые возвратно-поступательные перемещения, циклически соединяя источник вакуума с межстенными камерами доильных стаканов (пульсационными камерами). Золотник с высокой частотой скользит по пластине из износостойкого синтетического материала с окнами, сообщающимися с источником вакуума и с пульсационными камерами. Трудноразрешимой проблемой высокочастотных возвратно-поступательных золотниковых пульсаторов является быстрый износ фрикционных покрытий пластин, ведущий к снижению функциональности и уходу технических характеристик пульсатора. Специальные патенты посвящены износостойким покрытиям пластин таких высокоскоростных возвратно-поступательных золотников, обзор которых содержится, например, в /Николини Г., Сикури Р. Пневматический пульсатор для доильных установок. Патент на изобретение РФ №2289239/. Кроме того, эти высокочастотные пульсаторы являются тяжело нагруженными механизмами из-за возвратно-поступательных колебательных движений, сопровождающихся инерционными нагрузками, амплитуды которых пропорциональны квадрату частоты. Помимо износа и ухода технических характеристик, постоянные ударные нагрузки приводят к усталостным разрушениям, а также являются одним из основных источников шума и вибраций доильной установки.
Предлагается также использовать золотниковый принцип создания пульсаций, но не быстрый возвратно-поступательный, а наиболее простой - медленно вращающийся. Применение вращающихся золотниковых пульсаторов доильных аппаратов до сих пор не имело аналогов, потому что сдерживалось следующим обстоятельством. С ростом частоты вращения золотника увеличивается окружная скорость на его наружной поверхности трения, и механизм скольжения сопрягающихся поверхностей (ротора и статора) осложняется значительным тепловыделением, трудностями смазки, износом сопрягающихся поверхностей и нарушениями плотности их взаимного прилегания. Следовательно, многократное снижение частоты вращения золотниковых пульсаторов, на порядок и более, при сохранении функциональности, весьма принципиально, ибо открывает возможности их широкого внедрения.
Вращающийся золотниковый пульсатор включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора - равномерное размещение по окружности n окон, воспринимающих и передающих далее по каналам на исполнительные устройства толчки давления, а ротора - последовательная раздача постоянного избыточного давления из его внутренней полости по окнам статора для получения на них переменного во времени пульсирующего давления. Окна статора и ротора выполнены в виде щелевых отверстий. При использовании на роторе только одного окна большая часть времени вращения ротора-золотника расходуется не на выполнение его главной функции - создание пульсирующего давления на окнах статора, а на совершенно непроизводительные холостые повороты своего единственного окна к очередному окну статора. Это влечет высокие обороты ротора и малое время совмещения окон ротора и статора для выполнения основной функции. Недопустимо резко снижается функциональность и надежность устройства из-за значительного механического тепловыделения, трудностей смазки, износа сопрягающихся поверхностей и нарушений плотности их взаимного прилегания.
Таким образом, сдерживающим фактором применения однооконных роторов-золотников являлась высокая частота вращения золотника.
Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора вращающегося золотникового пульсатора за счет использования многооконного ротора, при котором полный цикл пульсаций вакуума в межстенных камерах доильных стаканов осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время весьма малого его поворота, что устраняет перечисленные выше проблемы внедрения вращающихся золотниковых пульсаторов.
r
s
r
s
Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по нему ротор, содержащий воздух под избыточным давлением, которое может быть как положительным (сжатие), так и отрицательным (разрежение или вакуум), снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной пульсации соответственно, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, при этом полный цикл последовательных пульсаций давления по окнам статора осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время его поворота на малый угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1) соответственно в прямом или обратном направлении относительно направления вращения ротора, что обеспечивает одновременно снижение требуемой частоты вращения ротора в mn+1 или mn-1 раз для достижения малой линейной скорости скольжения поступательно вращающегося золотника и увеличения времени замкнутого состояния в это же число раз. Суммарная угловая величина окон ротора и статора γ=γ+γ, где γ, γ - угловые величины окон ротора и статора соответственно, должна удовлетворять условию γ≤nδ, где δ - универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства: δ=2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, соответственно. Результатом является получение последовательной равномерной по времени пульсации на окнах статора в прямом или обратном направлении. Частота вращения импульсов давления на окнах статора в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в пульсаторе с однооконным ротором-золотником при той же частоте его вращения. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1 или mn-1-оконного золотника будет соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения однооконного ротора-золотника, дающего ту же частоту вращения импульсов давления по окнам статора. Поэтому золотник по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты вращения импульсов в mn+1 или в mn-1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена. Но при сниженной частоте вращения ротора-золотника во столько же раз увеличивается время замкнутого состояния - время работы окна статора, пока мимо него проходит окно ротора. Следовательно, эффект мультипликации приводит к тому же результату, но при существенно сниженной скорости вращения золотника.
Далее, необходимо учесть создание пульсации воздуха на окнах статора с учетом реальных замкнутых оконечных устройств, а именно, в доильном аппарате импульсы вакуума и атмосферного давления с заданной частотой и соотношением тактов должны поочередно поступать через выходные патрубки статора в межстенные пульсационные камеры доильных стаканов.
Для этого окна статора снабжены патрубками для соединения с пульсационными межстенными камерами доильных стаканов, а вращающийся мультипликаторный золотник ротора выполнен двухсекционным, одна секция которого сообщена с источником вакуума, а другая - с атмосферной средой, при этом обе секции золотника имеют одинаковое число окон, но повернуты друг относительно друга и разделены несущей круговой пластиной. Сопутствующим эффектом является простота, надежность и экономичность конструкции.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез устройства, на фиг. 2, 3 - поперечные разрезы по двум сечениям секций, сообщающихся с вакуумной камерой А-А и атмосферной средой В-В соответственно, на фиг. 4-9 - временные развертки открывающихся-закрывающихся окон-патрубков статора и давлений на их входе для разных соотношений тактов разрежения-сжатия.
Схема мультипликативного золотникового пульсатора аппарата попеременного доения
s
r
s
r
s
Мультипликативный золотниковый пульсатор аппарата попеременного доения (фиг. 1-3) состоит из вращающегося двухсекционного ротора-золотника 1, каждая секция которого снабжена равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 окнами 2 для прямой или обратной пульсации соответственно, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …. Эти две секции показаны в поперечных разрезах А-А (фиг. 2) и В-В (фиг. 3). Ротор 1 скользит внутри статора 3, снабженного n равномерно распределенными по его окружности окнами с патрубками 4 угловой величины γ, соединяющимися с межстенными пульсационными камерами доильных стаканов. Обе секции ротора-золотника размещены на несущей круговой пластине 5, которая вращается с частотой f посредством приводного вала 6. Несущая круговая пластина 5 разделяет полости двух секций ротора 1, сообщающихся соответственно с двумя камерами: вакуумной 7 и атмосферной 8. Вакуумная секция ротора 1 имеет окна угловой величины γ=nδa/(a+b)-γ, а атмосферная - γ=nδb/(а+b)-γ, где а и b - соотношение тактов разрежения и сжатия, и эти две секции ротора-золотника повернуты друг относительно друга на угол nδа/(а+b).
Принцип работы мультипликативного золотникового пульсатора аппарата попеременного доения
Для пояснения принципа работы мультипликативного золотникового пульсатора аппарата попеременного доения, анализа переключений вакуумной и атмосферной секций и результирующих давлений на патрубках пульсационных камер служат фиг. 1-3 и 4-9. На фиг. 4, 5 изображены временные развертки работы пульсатора для соотношения тактов разрежения-сжатия a/b=1, на фиг. 6, 7 - для a/b=1.6, на фиг. 8, 9 - для а/b=2.2. Для определенности показан режим прямой пульсации для 4-патрубкового статора, n=4. Обратная пульсация и/или другое число патрубков работают совершенно аналогично.
Направление вращения ротора-золотника 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f (фиг. 2, 3). Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1. Угловая частота вращения ротора 1 обозначена через ω и составляет ω=2πf.
i
j
Передние края окон 2 каждой секции ротора-золотника 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r (сплошные линии), а передние края окон-патрубков 4 статора 3 - неподвижными лучами s (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам окон 2 секций ротора 1 и окон 4 статора 3.
Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из фиг. 2, 3, состоит в том, что:
i
i
1. Последовательные углы между лучами r, s, i=2, 3, 4… составляют (i-1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.
2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.
Именно эти два обстоятельства эффективно обеспечивают полный цикл равновременной последовательной пульсации давления на окнах статора не за полный период вращения ротора-золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть.
Работает устройство следующим образом. Для примера рассмотрен режим прямой пульсации, когда направление вращения импульсов давления на патрубках совпадает с направлением вращения двухсекционного ротора-золотника. Поочередно открываются (включаются) и закрываются (выключаются) окна вакуумной (сечение А-А) и атмосферной (В-В) секций ротора 1. Временные развертки для каждого отдельного окна-патрубка 4 статора 3 изображены на фиг. 4, а для всех патрубков 4 вместе - на фиг. 5. Пусть в начальный момент времени включается окно вакуумной секции (фиг. 4, сверху, для соотношений тактов разрежения-сжатия а/b=1). Переменная во времени площадь S открывающегося окна-патрубка 4 как функция времени представляет собой меандр, расположенный в отрицательной полуплоскости (на фиг. 4 отмечен через А-А). Когда вакуумная секция выключается, синхронно включается атмосферная секция, дающая меандр в положительной полуплоскости (В-В на фиг. 4). Временная развертка результирующего давления Р на этом патрубке пульсационной камеры представлена на нижнем графике фиг. 4. Это - меандр разрежения, - отрицательного избыточного давления, сменяющийся нулевым избыточным давлением при переключении вакуумной камеры на атмосферную. Временные развертки давлений Р сразу на всех n онах-патрубках 4, n=4, пульсационных камер изображены на фиг. 5.
r
s
Таким образом, реализуется непрерывный оверлэпный, или перекрывающийся во времени по соседним каналам, режим работы пульсатора с поочередным выключением каждого окна-патрубка при повороте ротора на угол γ=γ+γ и включением следующего за ним соседнего окна-патрубка при повороте ротора на угол  (при прямой пульсации) или на угол  (при обратной).
Аналогичные временные развертки для соотношений тактов разрежения-сжатия a/b=1.6 и а/b=2.2 представлены на фиг. 6, 7 и 8, 9 соответственно.
Технические характеристики мультипликативного золотникового пульсатора аппарата попеременного доения. Сводка основных формул
Главными характеристиками пульсаторов доильных аппаратов являются частота пульсаций v и соотношение периодов, или тактов, разрежения-сжатия а/b на каждом патрубке пульсационной межстенной камеры доильного стакана.
Частота пульсаций ν определяется исключительно частотой вращения f ротора-золотника:
ν=(mn+1)f - для прямой пульсации и
ν=(mn-1)f - для обратной.
Соотношение периодов разрежения-сжатия а/b определяется конструктивным углом γ, универсальным (зависящим только от чисел m, n) углом - δ и числом окон-патрубков статора n:
а/b=γ/(nδ-γ),
b/a=nδ/γ-1,
r
s
где γ=γ+γ - суммарная угловая величина окон ротора и статора,
δ=2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации,
δ=2π/n/(mn-1) - для обратной,
r
s
откуда следует формула для выбора конструктивного угла γ=γ+γ:
γ=nδа/(а+b).
Время замкнутого состояния τ (время перекрытия окон секции ротора и статора) составляет:
τ=а/(а+b)/ν=(γ/δ)/(nν) - для вакуумной секции,
τ=b/(a+b)/ν=(n-γ/δ)/(nν) - для атмосферной.
Отсюда следует, что для предельного частного случая полной γ=nδ пульсации соответственно имеем:
τ=1/ν - для вакуумной секции,
τ=0 - для атмосферной.
Для частного случая непрерывной γ=δ пульсации соответственно имеем:
τ=(n-1)/(nν) - для вакуумной секции,
τ=1/(nν) - для атмосферной секции ротора-золотника.
Пример расчета мультипликативного золотникового пульсатора аппарата попеременного доения
Итак, основными характеристиками доильных аппаратов являются частота пульсаций ν и соотношение периодов разрежения-сжатия а/b на каждом патрубке пульсационной камеры доильного стакана.
Частота пульсаций ν определяется частотой вращения f ротора-золотника, которая допускает простое изменение в рабочем режиме:
ν=(mn+1)f - для прямой пульсации и
ν=(mn-1)f - для обратной.
Соотношение периодов разрежения-сжатия а/b определяется конструктивным углом γ, универсальным (зависящим только от чисел m, n) углом - δ и числом окон-патрубков статора n:
а/b=γ/(nδ-γ),
r
s
где γ=γ+γ - суммарная угловая величина окон ротора и статора,
δ=2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации,
δ=2π/n/(mn-1) - для обратной.
В качестве примера рассчитаем схему прямой пульсации для 4-патрубкового статора, n=4, посредством mn+1-оконного золотника ротора, для значений параметра системы m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота пульсаций на каждом из окон статора составляет ν=1 Гц. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора мультипликативного золотникового пульсатора составят:
Учитывая, что для однооконного ротора период вращения составляет 1 с, видим, что для мультипликативного пульсатора период обращения увеличивается на порядок и более. Таким образом, наглядно виден эффект мультипликации частоты пульсации, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения ротора многооконного золотникового пульсатора. Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - последовательной генерации пульсаций на окнах статора, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного окна к окнам статора полностью исключено.
Соотношение периодов разрежения-сжатия а/b:
а/b=γ/(nδ-γ),
r
s
где γ=γ+γ - суммарная угловая величина окон ротора и статора, δ=2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, определяется выбором конструктивного угла γ:
γ=nδа/(а+b).
Пусть a/b=1. Тогда γ=nδ*.5=2 δ.
При а/b=1.6 γ=nδ*.6154=2.46 δ, а
при а/b=2.2 γ=nδ*.6875=2.75δ.
r
s
Таким образом, с ростом а/b угол γ растет, ограничиваясь верхним пределом γ=nδ=4δ. Эти соотношения периодов разрежения-сжатия а/b для различных значений конструктивного угла γ=γ+γ наглядно проиллюстрированы фиг. 4, 6, 8.
Выводы. Технический результат
1. Благодаря эффекту мультипликации удается использовать не быстрые возвратно-поступательные золотники, а наиболее простые и надежные медленно вращающиеся.
2. Это приводит к существенному снижению износа, ухода технических характеристик золотников, постоянных ударных нагрузок, вибраций, шума и усталостных разрушений, что повышает функциональность, надежность и долговечность пульсаторов.
3. Применено не попарное доение, а любое попеременное, например, учетверенное, при n=4, за одну операцию сразу обрабатывающее каждое животное.
4. Предусмотрена простая возможность варьирования частоты пульсаций и соотношения тактов разрежения-сжатия путем простого изменения частоты вращения двухсекционного ротора-золотника и выбором угловой величины его окон.
5. Пневматическая энергия расходуется исключительно на работу пульсационных камер доильных стаканов, а не на активацию быстрых возвратно-поступательных перемещений золотникового механизма, что оптимизирует форму кривых давления в межстенных пульсационных камерах доильных стаканов и повышает эффективность пульсатора.
Использованная литература
1. Королев В.Ф. Доильные машины: Теория, конструкция и расчет. Изд-во «Машиностроение». М., 1969. - 279 с.
2. Карташов Л.П., Куранов Ю.Ф. Машинное доение коров. Изд-во «Высшая школа». М., 1980. - 223 с.
3. ЕР 0009282 А1. Pulsator device for use in milking machines.
4. EP 0241763 A2. Automatic pulsator apparatus for milking.
5. EP 1336335 A2. Pneumatic pulsator for milking plants.
6. Николини Г., Сикури P. Пневматический пульсатор для доильных установок. Патент на изобретение РФ №2289239.