Електропривод доїльних установок і машин первинної обробки

Молока

Рівень механізації доїння корів і первинної обробки молока досягає нині 90..95 %. До первинної обробки молока відносять його охолодження, пастеризацію та очищення. Механізація та електрифікація процесу доїння значно полегшує працю доярок, при цьому підвищується продуктивність праці у 2..4 рази порівняно з ручним доїнням.

Первинну обробку молока здійснюють з метою збереження його харчової і технологічної цінності на тривалий проміжок часу.

Широкого розповсюдження набув доїльний агрегат АДМ-8А з молокопроводом, призначений для машинного доїння корів у стійлах, транспортування молока у, молочне приміщення, групового обліку видоєного молока, фільтрації, охолодження та подавання до резервуарів на зберігання. Доїльні апарати з'єднуються із скляними вакуум та молокопроводами, які встановлено над стійками корівника, за допомогою суміщених молочно-вакуумних кранів. У приміщенні молочної змонтовані системи промивання і первинної обробки молока. Привід силової вакуумної установки електричний. Молоко з доїльного апарата надходить до пристрою зоотехнічного обліку (за умови контрольних доїнь) або безпосередньо до молокопроводу, а потім транспортується у молочне приміщення до дозаторів та молокоприймальника., відокремлюється від повітря молочним насосом, через фільтр і охолодник перекачується до резервуара-холодильника для зберігання. Під час промивання миючий розчин відсмоктується з посудини через доїльні апарати, систему молочних трубопроводів і надходить до молокоприймальника. Розчин за допомогою насоса перекачується назад до посудини для повторного використання або зливання у каналізацію.

Агрегат випускається у двох варіантах: АДМ8-А-1 і АДМ-8А-2. Порівняно з агрегатом АДМ-8, продуктивність праці підвищується ва 14 %, надій молока за рахунок зниження захворюваності корів - на 18 %. Завдяки використанню спрощеної схеми молочно-вакуумної лінії, точнішого вимірювання кількості видоєного молока за допомогою пристрою зоотехнічного обліку молока ПЗМ-1А, зменшуються затрати праці на монтаж і технічне обслуговування, а також виключаються втрати і забруднення молока під час наповнювання молокоприймальника.

Для малих ферм використовують доїльний агрегат з молокопроводом АДМ-8А-1 (виконання 05 та 06) замість ДАС-2В і АД-100Б. У цьому агрегаті відсутній пластинчастий охолодник, автоматичну систему обмивання вимені замінено на механічну, пристрій керування молочним насосом виробництва Німеччини - вітчизняним.

Для машинного доїння корів у доїльних станках з індивідуальним впусканням та випусканням, транспортуванням молока у молочне відділення, фільтрації та охолодження використовується доїльна установка " Тандем-автомат" УДА-8А. Установка складається з комплекту станків (стійл) на 8 місць, технологічної лінії та лінії промивання, 8 маніпуляторів доїння. Порівняно з УДА-8 конструкція доїльних станків простіша.

Доїльна автоматизована установка " Ялинка-автомат" УДА-16А використовується для машинного доїння корів у групових доїльних станках та первинної обробки молока на молочних фермах. Установка складається з двох секцій (кожна на 8 корів). У кожній секції вісім дозаторів роздавання концентрованих кормів, які подаються транспортером. Молоко з доїльного автомата через індикатор обліку надходить до молокопроводу молочного відділення і молочним насосом крізь фільтр та пластинчастий охолодник подається в місткість для зберігання. Установка промивається автоматично згідно з заданою циклограмою. До установки додатково може постачатися кормороздавач УДА-102.000.

Доїльні автоматизовані установки " Ялинка" УДА-16А і " Тандем" УДА-8А із зніманням інформації та АСУТП призначені для машинного доїння корів у доїльному залі з автоматизацією доїння, збирання та обліку молока, автоматичного індивідуального нормованого годування корів концентрованими кормами залежно від їх фізіологічного стану (стадія лактації, продуктивність тощо), одержання, обробки, зберігання та передачі інформації для керування зооветеринарною обробкою, а також виділення тварин за низкою ознак для зооветеринарного обслуговування.

Для машинного доїння корів в індивідуальних доїльних станках у літніх таборах і пасовищних центрах використовують доїльні табірні установки УДЛ-Ф-І2 і УДЛ-Ф-12-1.

Електропривод вакуум-насосів. Для роботи доїльних апаратів необхідний вакуум, який одержують за допомогою вакуумних насосів. Сучасні доїльні установки комплектуються ротаційними вакуумними насосами УВУ-60/4 5.

Ротаційний лопатевий вакуум-насос (рисунок 5) складається з ребристого чавунного корпуса 3, ротора 1 з текстолітовими лопатками 2, задньої та передньої ребристих кришок. Чотири текстолітові лопатки розміщені радіально в пазах ротора і при його обертанні під дією відцентрової сили притискаються до внутрішньої поверхні циліндричного корпуса. Внаслідок ексцентричного розміщення ротора об'єм простору між кожною

парою лопаток змінюється. 3 одного боку відбувається всмоктування повітря з трубопроводу, з іншого - стикання і викидання його в атмосферу.

Таким чином, вакуум-насос перетворює механічну енергію на потенціальну енергію тиску (з від'ємним знаком), яка потім перетворюється на кінетичну енергію всмоктування молока з вимені і транспортування його до місця приймання та очищення.

До складу вакуумної установки входять також вакуум-регулятор 4, вакуумметр 5, вакуум-балон 6 та вакуум-провід 7.

Вакуум-насос з'єднується з електродвигуном за допомогою клинопасової передачі.

Механічна характеристика вакуум-насоса має слабко виражений вентиляторний характер, а навантажувальна діаграма являє собою залежний від часу роботи насоса графік, паралельний осі абсцис після пуску. Оскільки доїння корів відбувається протягом 2 год., режим роботи тривалий. Потужність електродвигуна Р, Вт, для привода ротаційного вакуум-насоса визначається за формулою

(106)

де Q_н - подача насоса, м³/с; Н_н – вакуум який створює насос, Па; h_п – коефіцієнт корисної дії передачі; h_н – коефіцієнт корисної дії вакуум-насоса, h_н = 0, 2..0, 25.

Рисунок 5 - Технологічна схема вакуумної установки:

1 - ротор вакуум-насоса; 2 - лопатки; 3 - корпус; 4 - вакуум-регулятор; 5 -вакуумметр; 6 - вакуум-балон; 7 - вакуум-провід; 8 - вихлопний пристрій

Подача насоса має забезпечити необхідну витрату повітря, яка визначається як сума витрат повітря усіма доїльними апаратами і різних втрат повітря внаслідок нещільності у вакуум-проводі та молокопроводі, просмоктувань крізь доїльні стакани під час надівання їх на дійки, просмоктувань між дійками та сосковою гумою, а також внаслідок спадання шлангів з кранів.

Необхідна подача вакуум-насоса Q_п, м³/год визначається за виразом

Q_п = kqn, (107)

де k = 2..3 – коефіцієнт, який враховує неповну герметизацію системи; q – витрати повітря одним доїльним апаратом при 60 пульсаціях за хвилину q = 1, 8 м³/год; n – кількість доїльних апаратів в установці.

Виходячи з потрібного вакууму і подачі, вибирають потрібну кількість вакуум-насосів з урахуванням резерву.

Під час роботи вакуумної установки необхідно підтримувати вакуум 47..48 кПа, необхідний для нормальної роботи доїльних стаканів. На практиці рекомендується підбирати діаметр вакуум-проводу та його конфігурацію такими, щоб падіння у ньому вакууму не перевищувало 2, 5 кПа.

Під час вибору вакуум-насоса необхідно звертати увагу на його основну характеристику, які відображає залежність подачі насоса від величини вакууму, а також на забезпечення нормального вакууму у вакуум-проводі.

При машинному доїнні корів для створення вакууму потрібна вакуумна уніфікована установка УВУ-60 45А. На відміну УВУ-60/45 вона має меншу масу, більш високу продуктивність, забезпечує зручність монтажу і технічного обслуговування. Для приводу вакуум-насоса використовується асинхронний короткозамкнений двигун із номінальною частотою обертання 1430 хв.^-1 потужністю 4 кВт. При цьому забезпечується подача 60 м³/год. Клинопасова передача дає змогу на шківах інших діаметрів одержати швидкість вакуум-насоса 1220 хв.^-1, при цьому потужність електродвигуна становить 3 кВт, а подача насоса - 45 м³/год.

На комплексах і великих фермах використовуються централізовані вакуумні установки ЦВУ-3, ЦВУ-6 і ЦВУ-12 з подачею 180, 360, 720 м³/год і відповідно потужністю електродвигуна 7, 5, 17, 22 кВт.

Щоб зменшити небезпеку ураження людей і тварин електричним струмом, на молочних фермах застосовують захисно-вимикаючі пристрої, а в місяцях з’єднання вакуум-провода з вакуум-насосом необхідно встановлювати ізолюючу вставку довжиною не менше 0, 25 м. Для цього використовують гумовий шланг або поліетиленову трубу. Ізолюючі вставки систе-

матично, не рідше одного разу в рік перевіряють на чистоту і цілісність внутрішньої і зовнішньої поверхні.

Відстань від внутрішньої проводки до трубопроводів повинна бути не менше 10 см.

Електропривод молочних насосів. Молочні насоси призначені для транспортування молока трубопроводами та по технологічній апаратурі, необладнаній власними напірними пристроями. Для цього використовують відцентрові та діафрагмові насоси. Для в'язких рідин (вершків тощо) використовують шестеренчасті насоси, їх встановлюють нижче рівня місткості, щоб виключити необхідність заповнення насоса рідиною перед пуском.

Потужність електродвигуна Р, кВт, для привода насоса визначають за виразом

(108)

де Q – подача насоса, м³/с; Н – напір необхідний для подачі молока на певний рівень з урахуванням втрат, м; Y – питома вага рідини, Н/м³; h_м – механічний ККД насоса, h_м = 0, 8..0, 9 – для поршневих, h_м = 0, 1 – для відцентрових, h_м = 0, 5 – для діафрагмових насосів.

Найширше використовують універсальний молочний насос НМУ-6. Він найкраще задовольняє техніко-економічні та гігієнічні вимоги. Насос складається з корпуса із всмоктувальним і нагнітальним патрубками, електродвигуна закритого обдувного виконання потужністю 1, 1 кВт і частотою обертання 2880 хв.^-1. Ротор електродвигуна передає обертання крильчатці насоса. Подача води з місткості під вакуумом 0, 6 МПа становить від 2 до 6 м³/год за умов напору 1 та 0, 6 МПа відповідно. Для вмикання та вимикання насоса молокозбірник доїльної установки оснащений автоматом пуску. Згідно з технологією насос забезпечує промивання всієї системи в технологічній лінії, після чого частково розбирають і вручну промивають деталі насоса. Механічна характеристика насоса має вентиляторний характер, а навантажувальна діаграма - вигляд прямої, паралельної осі абсцис. При виборі потужності електродвигуна враховують тривалий режим роботи молочного насоса.

Подача відцентрового насоса залежить від напору та частоти обертання, тому, користуючись напірними характеристиками можна визначити інші характеристики насоса.

Електропривод сепараторів молока. Для виділення молочного жиру з молока використовують сепаратори. Принцип розділятися у полі дії відцентрових сил за рахунок різної густини сумішей, з яких вони складаються положи ний в роботу сепаратора.. Розподіл відбувається в середині сепараторного барабана, який обертається з великою частотою, причому щільніші частинки (молочний жир) пересуваються до периферії. Виходячи з технологічного процесу, до електропривода сепаратора висувають жорсткі вимоги відносно чистоти обертання барабана. За умови значних коливань швидкості порушується процес сепарування і стає можливим момент, коли вершки будуть відходити до молочних відвійок, а ті, навпаки, зможуть потрапляти до вершків. Тому для привода сепараторів використовують трифазні асинхронні електродвигуни, які мають жорстку механічну характеристику.

Незважаючи на різноманітне технологічне призначення молочних сепараторів конструктивно вони відрізняються тільки будовою барабана. Кінематичну схему електропривода сепаратора наведено на рисунок 6.

Від електродвигуна 5 обертання через клинопасову передачу 4, відцентрово-фрикційну муфту (або шків) 6, шестірню 3 та черв'як 2 передається барабану 1.Характерним для привода барабани є те, що передаточне число і, менше за одиницю

(109)

Барабани сепараторів мають частоту обертання, яка у 2..4 рази перевищує найбільшу швидкість обертання ротора асинхронного електродвигуна, тому зведений момент інерції системи двигун - робоча машина досить великий. Виходячи з повного рівняння руху електропривода, час розгону сепаратора перебуває у прямій залежності від зведеного моменту

інерції. Залежно від типу сепаратора і схеми пуску розгін барабана триває 100..480 с.

Механічна характеристика сепаратора має

вентиляторний характер і без урахування резонансних піків може бути виражена залежністю

М_с = М₀ + bw², (110)

де М_с — момент опору сепаратора, зведений до вала електродвигуна, Н∙ м; Мо - початковий момент опору, М₀ = (0, 2..1, 0) Н∙ м; b - коефіцієнт пропорційності, який залежить від якості обробки елементів кінематичної схеми привода, маси барабана, ступеня шорсткості поверхні барабана, Н∙ м/(с^-1)², для сепараторів продуктивністю 50..1000 л/год, b = 1, 8..10^-6 Н∙ м/(с^-1)²; w - кутова швидкість барабана, с^-1.

Потрібна потужність електродвигуна Р, кВт, для привода сепаратора у робочому режимі може бути визначена за виразом

Р = kМ_с w, (111)

де k = 1, 2..2 - коефіцієнт, який враховує потужність, необхідну для надання кінетичної енергії рідині, що надходить до барабана, а також для подолання гідродинамічних втрат, втрат тертя у підшипниках, передавальному механізмі тощо.

Під час розгону сепаратора в його механічній характеристиці можливе виникнення резонансних піків. Особливо небезпечні вони на початковій стадії розгону, коли пік в механічній характеристиці сепаратора збігається при початковій швидкості з мінімальним моментом на механічній характеристиці асинхронного електродвигуна. Тому робоча частота обертання вала барабана сепаратора не повинна знаходитися у зоні резонансу коливань. Це основна умова нормальної роботи сепаратора.

При вмиканні сепаратора у роботу розрізняють такі три режими:

1 - пуск у дію, коли потужність електродвигуна зменшується від пускової до потужності холостого ходу;

2 - прикладання навантаження, коли потужність трохи збільшується, а потім спадає;

3 - усталений режим при постійному навантаженні та частоті обертання.

В умовах перехідного режиму під час пуску момент, що створюється механічними коливаннями системи в період першого резонансу та биття, більший за сумарний статичний момент в 1, 5..2 рази. Пускова потужність сепаратора в 1, 3..2 рази більша за потрібну потужність у робочому режимі.

Якщо для привода сепаратора встановити трифазний асинхронний короткозамкнений електродвигун згідно з потужністю сталого режиму сепарування, то кратність пускового моменту має бути не менше за 1, 8..2, кратність максимального моменту - 2, 2..2, 4, а кратність мінімального моменту - 1, 0. Встановлювати для привода сепаратора двигуни із завищеною потужністю не доцільно, оскільки під час пуску виникають додаткові динамічні зусилля, які можуть призвести до поломки черв'ячної пари. Тому для полегшення пуску використовують двошвидкісні двигуни, або одношвидкісні з відцентрово-фрикційною муфтою.

Механічні характеристики двошвидкісного двигуна та сепаратора, наведені на рисунок 7, показують, що динамічний момент на першій швидкості майже у 2 рази більший, ніж на другій. Тому розгін здійснюється за умов великого моменту і меншої швидкості. Коли

швидкість двигуна досягає певного значення, автоматично відбувається перемикання обмотки статора двигуна на другу підвищену швидкість. З цією метою на валу електродвигуна встановлено тахогенератор, який підключено до обмотки проміжного реле.

Оскільки розгін здійснюється при більшому моменті, то час пуску скорочується, зменшується і нагрівання двигуна. Загальні втрати у двигуні в цьому випадку у два рази менші, ніж при одноступінчастому пуску.

Відцентрово-фрикційну муфту наведено на рисунку 8. При вмиканні електродвигуна диск, закріплений шпонкою на валу електродвигуна, починає обертатися. Пальці 2 починають тягти колодки 3, які ковзають по внутрішній циліндричній поверхні барабана 4, насадженого на горизонтальний вал привода сепаратора. Коли швидкість диска 1 дорівнює нулю або близька на нього, то зчеплення колодок із внутрішньою поверхнею барабана дорівнює нулю, тому момент від вала двигуна до веденого привідного вала 5 не передається. При збільшенні частоти обертання відцентрова сила зростає, колодки притискаються до внутрішньої поверхні барабана і відповідно зростає сила тертя між колодками і барабаном. Розміри барабана, колодок та матеріали для їх виготовлення вибирають так, щоб механічні характеристики електродвигуна і відцентрово-фрикційної муфти перетинались на робочій ділянці механічної характеристики за умови значення моменту, близького до критичного (рисунок 9). При цьому починається розгін електропривода при ве

ликому надлишковому моменті. Струм електродвигуна у початковий момент досягає пускового, а потім за частки секунди знижується до 1, 5...2 кратного значення, при якому і відбувається розгін сепаратора. При вмиканні без відцентрово-фрикційної муфти пусковий струм впливає на обмотки практично увесь час періоду розгону. Нагрівання електродвигуна при пуску з відцентрово-фрикційною муфтою знижується у кілька разів, при цьому зменшується час розгону електропривода внаслідок того, що надлишковий момент є досить значним. У зв'язку з тим, що під час розгону сили тертя і ковзання також значні, відбувається посилене нагрівання муфти, тому рекомендується здійснювати не більше 2 пусків-розгонів підряд.

При вмиканні електродвигуна швидкість ротора майже миттєво досягає значення w _св, при цьому встановлюється момент М_св, за умов якого починається розгін привідного вала сепаратора. Від моменту М_св до М_у відцентрово-фрикційна муфта працює із значним ковзанням, при цьому швидкість привідного вала сепаратора зростає від 0 до w_у. За час t₁, який триває частки секунди, момент електродвигуна змінюється від пускового значення М_п до М_св, яке визначається моментом зчеплення між колодками муфти та веденим барабаном. За час t₂ відбувається розгін барабана від нерухомого стану до швидкості w_св, а на дільниці t₃ момент електродвигуна зменшується від значення М_св до сталого М_у, який визначається точкою перетину механічних характеристик сепаратора та електродвигуна.

Тривалість періодів t₁ та t₃ становить 5..7 % загальної тривалості розгону.

Електропривод молочних сепараторів належить до нерегульованих приводів із запуском вхолосту і тривалим режимом роботи. Тривалість безперервної роботи сепаратора при відокремленні вершків досягає 2 год., очищенні молока 4 год., після чого необхідне розбирання та очищення барабана сепаратора.

Технічна характеристика сепараторів, які використовуються на молочних фермах, сепараторних пунктах і молокозаводах, наведена в таблиці 15.

Таблиця 15 - Технічна характеристика сепараторів

Електропривод холодильних машин. Використання штучного холоду для технологічних цілей у виробництві молока − неодмінна умова забезпечення якості та зберігання продукту. Для великих ферм придатні компресорні установки. Принцип роботи холодильної машини ґрунтується на властивостях деяких речовин перебувати у рідкому стані при підвищеному тиску, перетворюватись на пару зі зниженням тиску та кипіти при низьких температурах. Робочий процес холодильної машини проходить за замкненим циклом. Як холодоагент для холодильних машин найчастіше використовують фреон.

Поршневий компресор у холодильній установці перетворює механічну енергію на потенціальну енергію тиску газу, нагнітаючи його до конденсатора, який омивається ззовні холодною водою, і де газ перетворюється на рідину. Цей процес супроводжується перетворенням потенціальної енергії тиску газу на теплову, що відбирається водою, та кінетичну, за рахунок якої рідина надходить через дроселюючий клапан до випарника. Тут внаслідок зниження тиску рідина випаровується. З випарника газ знову надходить до компресора і цикл повторюється.

Для визначення потрібної потужності двигуна та витрат на охолодження певного об'єкта треба, виходячи з технологічних умов і продуктивності молочної, знати необхідну холодопродуктивність Q, кДж/год, яка залежить від продуктивності компресора L, м³/год, та об'ємної холодопродуктивності відсмоктуваних парів холодильної рідини q, кДж/м³, тобто Q = Lq

Подачу компресора L, м³/с, визначають за виразом

, (112)

де і - кількість всмоктувальних сторін поршня; F - площа поршня, м²; S - хід поршня, м; n — число ходів поршня за, секунду; l - коефіцієнт подачі компресора (або об'ємний ККД, що дорівнює 0, 85..0, 95), який залежить від нещільностей, характеру рідини тощо; L₀ - питома продуктивність компресора, м³/с.

Потрібна потужність поршневого компресора складається з потужності, яка витрачається всередині циліндрів на всмоктування, стиск і нагнітання газу, і потужності, яка витрачається на механічні втрати.

Потужність на валу компресора залежить від кута повороту кривошипа і змінюється за синусоїдальним законом. У поршневих компресорів одинарної дії подача здійснюється тільки за умов руху поршня вперед, а у механізмах подвійної дії — при ході поршня в обидва боки.

Середню потужність Р_ср, Вт, для компресора подвійної дії визначають за виразом

(113)

При роботі поршневого компресора на магістраль з постійним тиском під час кожного ходу поршня долається постійне середнє зусилля незалежно від кутової швидкості, тому двигун працює з постійним моментом, незалежним від кутової швидкості. Потужність Р, кВт, визначають за виразом

(114)

де Q - подача компресора, м³/с; Н - тиск, який розвиває компресор, Па; Р₁ - початковий тиск газу, Па; Р₂ — кінцевий тиск стисненого газу, Па; h_к — ККД компресора; h_п — ККД передачі від двигуна до компресора.

Режим роботи компресора може бути тривалим і повторно-короткочасним з великою кількістю вмикань за годину залежно від обраної схеми та устаткування для керування роботою установки й двигуна.

З урахуванням режиму роботи після підрахунків вибирають електродвигуни найближчої більшої потужності.

Електропривод в установках пастеризації молока. Основні режими пастеризації (теплової обробки молока) визначаються технологією його обробки. За умов дотримання технології зберігаються поживні властивості молока без зміни його якості. Недотримання за часом викликає збереження мікрофлори в молоці, перетримання веде до втрати вітамінної цінності молока, карамелізації молочного цукру, змін у білковому складі.

У сучасних пастеризаційних установках електропривод використовується для привода молочних і водяних насосів, молокоочисників, які розглянуто у попередніх розділах.

Потрібна потужність Р, кВт, на обертання мішалки складається з потужності на подолання опору обертання Р_с та потужності на надання кінетичної енергії рідинам Р_к, які видаляються з пастеризатора, і дорівнює

(115)

де v - швидкість рідини на виході, м/с; e - коефіцієнт опору (у середньому e = 0, 2); r — густина рідини, кг/м³; h_п —ККД передачі; S — поверхня тертя, м²; m — маса рідини, кг.

Параметри привода мішалки у молочному танку визначають так, як і для пастеризатора.

Для привода хитної трубчастої мішалки у вершково-дозувальних ваннах потрібна потужність Р, кВт, пропорційна густині рідини, поверхні мішалки, що пронизує рідину, а також швидкості руху мішалки

, (116)

де d - діаметр труби мішалки, м; r - густина вершків, кг/м³; - довжина мішалки, м; k - кількість труб; v_сер - середня швидкість середньої труби, м/с.

Режим роботи пастеризаційних установок тривалий, тому електродвигуни працюють у тривалому режимі. Проте за наявності у технологічній лінії молокоочисних сепараторних барабанів безперервність роботи установки лімітується об’ємом грязьового простору сепаратора барабана і становить 2, 5..3 год. залежно від забрудненості молока механічними домішками.