Коллекторы

12.11.2014

Коллектор служит для сбора молока из отдельных доильных стаканов. Из коллектора молоко отводится в доильное ведро, флягу или молокопровод. В тех доильных аппаратах, которые имеют доильные ведра, подвешиваемые под брюхом коровы, коллектор отсутствует, так как молоко прямо из доильных стаканов поступает в ведро.
Коллектор для двухтактной доильной машины имеет две камеры: воздушную и молочную. Никаких отверстий, сообщающих эти камеры между собой, не делают. Воздушную Камеру иногда разделяют на две, что необходимо, например, в доильной машине, предназначенной для попарного доения сосков. В этом случае вместо одной воздушной камеры получаются две изолированные друг от друга камеры, которые часто являются простыми цилиндрическими каналами в корпусе коллектора.
Воздушная камера коллектора имеет четыре патрубка для соединения его с доильными стаканами. Кроме того, делают еще один или два патрубка (при попарном доении сосков) для соединения воздушной камеры с пульсатором.
Воздушная камера коллектора сообщается с пульсатором при помощи резинового шланга (или двух шлангов), а с доильными стаканами — при помощи резиновых трубок. Никаких кранов или выключателей в этой камере или трубках не делают.
Объем камеры и сечение воздушных патрубков и шлангов особого значения не имеют, а поэтому при выборе основных размеров этих деталей наблюдаются большие колебания, обусловленные не физиологическими требованиями, а соображениями конструктивного характера.
Молочная камера коллектора более сложная, так как через нее протекают молоко и воздух. По объему ее делают больше воздушной камеры, чтобы она не препятствовала потоку молока и не создавала заметного понижения вакуума под сосками коровы.
Камера имеет четыре патрубка для соединения с доильными стаканами и один '(большего сечения) для соединения с доильным ведром или другой емкостью, в которую поступает молоко. Соединение молочной камеры с доильными стаканами осуществляется с помощью резиновых трубок. На наружных концах молочных патрубков делают косые срезы, которые обеспечивают отключение доильных стаканов от молочной камеры, если стаканы висят на коллекторе. Этим пользуются при надевании, доильных стаканов на соски, чтобы не было прососов воздуха.
Молочную камеру коллектора делают легко доступной для осмотра и очистки. Чаще всего нижняя часть камеры открыта, закрывают ее перед работой большой резиновой пробкой («Альфа-Лаваль») или даже резиновой крышкой («Манус»).. Некоторые фирмы вместо пробки устанавливают в своих аппаратах молочный кран, при помощи которого и отключают доильные стаканы от вакуум-насоса в конце доения. Такое положение молочного крана считают для эксплуатации более удобным, чем на крышке аппарата.
С краном на коллекторе конкурируют зажим на молочном шланге или косой срез на молочном патрубке. В резиновой пробке делают незасоряющееся отверстие, которое необходимо для предотвращения «мокрого доения» сосков. В Австралии, например, во всех доильных машинах в молочной камере делают отверстие диаметром 0,8 мм.
Метод расчета сечения патрубков молочной камеры и соединенных с ней резиновых трубок описан в работах Хозяева И. А и Базарова М. К. и Карташева Л. П., но он неточен из-за сложности процесса одновременного протекания по этим трубкам молока и воздуха с переменным расходом. Необходимые данные гораздо проще получить экспериментальным путем. При этом исходят из того, что при скорости доения 3—4 л/мин падение вакуума в молочных трубках, коллекторе и шланге должно быть не более 2 см рт. ст. Это условие обеспечивается при диаметре молочного шланга 14 мм и диаметре молочных трубок и патрубков на коллекторе до 8 мм (длина шланга не более 1 м).
В настоящее время почти все зарубежные фирмы увеличили проходные сечения трубок, по которым протекает молоко, что до некоторой степени положительно повлияло на скорость доения коров. В нашей стране этот вопрос изучался применительно к трехтактному способу доения. Результаты изучения были учтены при модернизации доильного аппарата.
При конструировании коллектора стремятся таким образом подобрать его вес, чтобы для всей группы деталей, подвешенных на сосках во время доения, он был более 2 кг и не превышал 3,3 кг (для двухтактного способа доения). Для трехтактного способа допускается некоторое уменьшение веса этих деталей. С физиологической точки зрения наиболее целесообразно такое распределение веса, при котором наибольшая часть его приходится на доильные стаканы, а не на коллектор, так как вес коллектора никогда не распределяется равномерно на все соски. Как известно, четверти вымени коровы развиты неравномерно, и обычно задние соски расположены ниже передних. Поэтому при относительно тяжелом коллекторе передние соски будут оттягиваться больше задних и выдаиваться чище. При этом возможно большое наползание доильных стаканов на задние соски и неполное выдаивание их.
Для устранения этого недостатка в некоторых доильных машинах молочные трубки для задних сосков делают короче, чем для передних.
Опытные доярки при доении некоторых коров надевают доильные стаканы так, чтобы молочный шланг был направлен не вперед, а назад. В этом случае задние соски оттягиваются больше, так как к весу доильных стаканов и коллектора прибавляется часть веса молочного шланга. Напрашивается вывод, что коллектор можно делать из легких материалов, например из пластмассы, но при этом уменьшение его веса необходимо компенсировать увеличением веса доильных стаканов.
Поскольку уменьшение веса доильных стаканов и соответственное увеличение веса коллектора вызывает у некоторых коров неравномерную чистоту выдаивания отдельных четвертей вымени, изготовление доильных стаканов из пластмассы и соответственное увеличение веса коллектора дополнительным грузом нельзя считать, по-видимому, целесообразным. Приведенные соображения в значительной мере объясняют тот факт, что доение коров однокамерными стаканами, имеющими относительно небольшой вес, не обеспечивает равномерного и чистого выдаивания многих коров, хотя обычно вес коллектора этих доильных аппаратов доходит до 2 кГ.
Необходимость оттягивания сосков с силой до 3,3 кГ при доении делает нецелесообразным расчет доильных стаканов и коллектора на прочность, так как указанный вес обеспечивает многократный запас прочности при изготовлении этих деталей из любых материалов. Однако при выборе материала для этих деталей необходимо учитывать другие предъявляемые к ним требования. Главные из них следующие: материал должен быть устойчивым против коррозии, обеспечивать хорошую чистку, мойку и дезинфекцию и не должен содержать примесей, которые могут оказать вреднее действие на качество молока. Эти требования распространяются и на все другие детали доильного аппарата, соприкасающиеся с молоком, о чем более подробно сказано ниже.
Некоторые фирмы пытаются внести усовершенствования в коллектор, которые автоматически предотвращали бы засасывание наружного воздуха через доильные стаканы при случайном спадании их с сосков. Такой коллектор имеет плунжерный клапан. При спадании всех стаканов с сосков коллектор падает на пол и плунжер, передвигаясь вверх, автоматически отключает стаканы от вакуум-насоса. Однако действие плунжерного клапана не всегда бывает надежным, так как чаще всего коллектор падает боком и клапан не срабатывает.
На рис. 49 изображен коллектор, разработанный в Руакуре, с шариковыми клапанами «Мэзон», которые обеспечивают более надежное отключение стаканов от вакуума как каждого в отдельности, так и всех вместе.

Коллекторы

Это устройство действует следующим образом. Когда стаканы находятся на сосках, шарики располагаются в специальных карманах и не препятствуют перетеканию молока из стаканов в коллектор. При спадании стакана струя воздуха приподнимает шарик и он немедленно закрывает внутреннее отверстие коллектора, присасываясь к нему. Однако при этом остается щель определенного сечения, поэтому при надевании стакана на сосок со всех сторон шарика устанавливается одинаковый по величине вакуум. Благодаря этому шарик снова опускается в карман, и процесс доения восстанавливается. Такие коллекторы хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, так как обладают следующими преимуществами: их молочные патрубки не имеют косых срезов, что удлиняет срок службы молочных трубок; не применяются молочные краны; промывка шариков очень проста, что повышает чистоту молока.
Коллектор трехтактной доильной машины ДА-3М (рис. 50) по конструкции несколько сложнее коллекторов других машин, так как в нем есть устройство для осуществления такта отдыха за счет сокращения такта сжатия. В схеме этого коллектора имеется четыре камеры. Камера 1 является по существу трубкой и всегда находится под вакуумом. Камера 2 служит для сбора молока, в ней действует пульсирующий вакуум. Камера 3 — это камера атмосферного давления, так как через небольшие отверстия она постоянно соединена с атмосферой. Камера 4 (верхняя) получает пульсирующий вакуум от пульсатора, с которым она соединена через патрубок 5 и резиновый шланг. Четыре патрубка 7 соединяют эту камеру с доильными стаканами.
В середине коллектора находится стержень, к которому прикреплены сверху мембрана 6, а снизу два клапана 8 и 9, осуществляющие необходимые переключения. Мембрана 6 под действием разности давлений в камере 4 может поднять стержень вверх, и тогда верхний клапан 8 закроется. Когда в камере 4 устанавливается атмосферное давление, мембрана не может удержать клапан 8 в закрытом состоянии, и он открывается, но одновременно закрывается клапан 9, отделяющий камеру 2 от камеры 1. Следовательно, движение стержня вверх и вниз сопровождается изменением давления в камере 2.
Коллекторы

Взаимодействие коллектора и доильных стаканов схематически показано на рис. 51. При такте сосания (рис. 51, а) в камере 4 коллектора действует вакуум, следовательно, верхний клапан закрыт, а нижний открыт. Это обеспечивает действие разности давлений в обеих камерах доильных стаканов, т. е. внутри сосковой резины и в межстенном пространстве 5. При такте сжатия (рис. 51, б) в камеру 4 коллектора и межстенное пространство 5 доильных стаканов поступает воздух, и сосковая резина сжимается, но клапаны в коллекторе еще не успевают переключиться (это обусловлено тем, что площадь верхнего клапана коллектора значительно меньше площади мембраны). При такте отдыха (рис. 51, б) после переключения клапанов в обеих камерах доильного стакана действует атмосферное давление.
Приводим краткий анализ работы коллектора.
Пульсирующий вакуум передается из пульсатора в камеру 4 коллектора. В момент, когда в верхней камере коллектора вакуум (рис. 51, а), на мембрану действует сила снизу вверх, равная,
Коллекторы

где h — величина вакуума;
Рм.к — площадь мембраны коллектора;
К" — коэффициент активности мембраны.
Одновременно на верхний клапан действует сила сверху вниз, равная
Коллекторы

где Рв.к.к — площадь верхнего клапана коллектора.
Поскольку сила Рм.к в несколько раз больше силы Рв.к.к, верхний клапан надежно закрыт, а нижний открыт. Под сосками коров —вакуум, происходит такт сосания.
Затем в камеру 4 коллектора из пульсатора поступает воздух, и вакуум в ней снижается. Этот процесс по времени происходит по уже известной логарифмической кривой, полученной для пульсатора, а именно:
Коллекторы

где tз.к — время заполнения воздухом камеры 4 коллектора и межстенного пространства доильных стаканов;
h — величина вакуума;
К2 —коэффициент пропорциональности;
h1 — величина вакуума, при .которой силы, действующие на мембрану и верхний клапан, становятся равными, после чего происходит переключение клапанов.
Сечения трубок, через которые камеры коллектора и меж-стенное пространство доильных стаканов заполняются воздухом, значительно больше, чем сечения аналогичных трубок в пульсаторе, а потому здесь процесс протекает значительно быстрее. При этом до момента, цока не наступит равенство сил, действующих на мембрану и верхний клапан, последний будет закрыт.
Для момента равенства сил можно написать следующее уравнение:
Коллекторы

откуда
Коллекторы

При диаметрах мембраны 40 мм, [верхнего клапана — 10 мм, h =38 см. рт. ст. и К"' = 0,3
Коллекторы

Благодаря этому до переключения клапанов вакуум в камере 4 коллектора и межстенном пространстве доильных стаканов уменьшается до 8 см рт. ст., и в это время сосковая резина подвергается сжатию (сплющиванию) (см. рис. 51, б).
После переключения клапанов (рис. 51, в) через открывшийся верхний клапан воздух заполняет Камеру 2 и все подсосковые пространства доильных стаканов — наступает такт, отдыха. При такте сжатия молоко успевает стечь из молочных трубок в коллектор, а поэтому, когда подсосковое пространство заполняется воздухом, молоко с ним не встречается.
Длительность сжатия сосковой резины можно определить из выражения:
Коллекторы

Первое слагаемое правой части уравнения — это время заполнения воздухом межстенного пространства доильных стаканов, начиная с вакуума, равного — 10 см рт. ст., то момента переключения клапанов; второе слагаемое — время заполнения воздухом пространства под сосками до вакуума 10 см рт. ст., после чего сжатие резины прекращается, и наступает такт отдыха при выпрямленной сосковой резине.
Минимальная разность давлений на сосковую резину снаружи внутрь, необходимая для ее сжатия, составляет 10 см рт. ст. Эта величина была установлена экспериментально.
Коэффициенты К2 и К3 отличаются один от другого, так как величина каждого из них определяется величиной заполняемого объема и сечением канала, по которому поступает воздух.
Как видно из выражения (37), длительность такта сжатия можно в некоторой степени изменять, меняя сечения трубок и каналов, по которым поступает воздух, или иногда прибегая к дросселированию.
В трехтактных доильных аппаратах никакой .регулировки сечений трубок и каналов для впуска воздуха не применяется. Поэтому длительность такта сжатия по абсолютной величине практически не изменяется. Это важно учитывать при анализе влияния изменения числа пульсаций на относительную длительность тактов. При (увеличении числа пульсаций относительная длительность такта сосания остается приблизительно постоянной, относительная длительность такта сжатия увеличивается, а такта отдыха — уменьшается. При некотором критическом числе пульсаций такт отдыха будет равен нулю.
При нормальном числе пульсаций длительность такта отдыха определяется в основном длительностью второго такта пульсатора. Если из длительности второго такта пульсатора вычесть длительность такта сжатия в доильных стаканах, то получится длительность такта отдыха.
Однако здесь следует внести поправку, так как фактически такт отдыха удлиняется за счет времени, в течение которого происходит переключение клапанов (нижний открывается, а верхний закрывается). Нижний клапан может открываться только после того, как наступит момент равенства
Коллекторы

где Рн.к.к — площадь нижнего клапана коллектора;
h'' — величина вакуума в камере 4 коллектора.
Отсюда
Коллекторы

С момента переключения клапанов до образования вакуума под сосками коровы также проходит некоторое время. В результате сосковая резина на момент подвергается расширению (изнутри наружу). Затем наступает такт сосания, который, естественно, несколько сокращается за счет удлинения такта отдыха.
Конструкция коллектора доильной машины ДА-3М показана на рис. 52.
Коллекторы

При трехтактном способе доения коллектор необходим и для доильного аппарата с подвешиваемым ведром. Коллектор машины ДА-ЗМ может работать от любого пульсатора, применяющегося в современных доильных машинах, и с любыми доильными стаканами. Из этого вытекает, что любую доильную машину можно перевести на трехтактный способ работы, заменив в ней коллектор, о чем уже упоминалось выше. Этот коллектор сконструирован так, что впуск в него воздуха ограничивается сечением отверстий. В направляющей 10 нового коллектора имеется три отверстия диаметром 2 мм вместо шести отверстий, которые были в коллекторе старой конструкции. Полезность этого изменения проверена экспериментально.
Недостатком конструкции коллектора машины ДА-3М является то, что патрубки пульсирующего вакуума расположены выше молочных патрубков. Для удобства надевания доильных стаканов и более надежного отключения их от вакуума, когда они не надеты на соски, патрубки пульсирующего вакуума нужно расположить на одном уровне с молочными патрубками. Но это требует переконструирования всего коллектора.
Для улучшения конструкции коллектора можно предложить изготовлять его крышку 7 из пластмассы, так как она не имеет деформирующихся деталей, которые могли бы повлиять на правильность работы коллектора. Весьма желательно его корпус 11 изготовлять из прозрачной пластмассы, чтобы можно было контролировать процесс доения и работу коллектора, а также упростить конструкцию молочного шланга, удалив из него смотровую трубку. Уменьшение веса коллектора целесообразно компенсировать увеличением веса доильных стаканов или навешиванием четырех грузов на молочные трубки. Можно, конечно, пойти и по другому пути — создать коллектор новой конструкции, свободной от всех отмеченных недостатков и прежде всего от недостатков, связанных с работой мембраны.
Находящийся в производстве коллектор для трехтактного способа доения имеет своеобразное расположение мембраны и клапанов, при котором параметры его работы зависят от упругости мембраны, так как мембрана испытывает при работе большие напряжения и сильно вытягивается. При расчете коэффициент активности ее принят равным 0,3.
Коллектор новой конструкции (рис. 53) также имеет мембрану, но она всегда прижата к рабочему месту стержня клапана и играет роль уплотнителя-герметизатора.
Коллекторы

Коллектор состоит из корпуса с камерами 1 и 2 и крышки с камерой 3. Крышка находится не сверху, а снизу. Внутри корпуса расположен стержень 4 с двумя клапанами 5 и 6. Нижний конец стержня 7 переходит в круглую плоскую шайбу, которая входит в корпус коллектора с небольшим зазором. Между крышкой и корпусом зажимается мембрана 8.
Коллектор действует следующим образом. К камере 3 подводится пульсирующий вакуум от пульсатора. В камере 2 — постоянный вакуум, так как через патрубок 9 она соединена с доильным ведром. При такте сосания (рис. 53, а) в камере 3 — вакуум. Мембрана опускается вниз, клапан 6 закрыт, а клапан 5 открыт, и в камере 1 действует разность давлений. Сюда по патрубкам 10 поступает из сосков молоко, которое затем перетекает в камеру 2 и далее по патрубку 9 попадает в доильное ведро или молокопровод. Когда в камеру 3 поступает воздух, он заполняет и межстенное пространство доильных стаканов; при этом сосковая резина сжимается. К концу заполнения камеры 3 и межстенного пространства доильных стаканов воздухом, после того как наступит равенство сил, действующих на стержень 4 сверху и снизу, произойдет переключение клапанов: клапан 5 закроется, а клапан 6 откроется (рис. 53, б). В камеру 1 начнет входить воздух через открывшийся клапан 6. Из камеры 1 воздух пройдет и под соски, и наступит такт отдыха. Затем из камеры 3 опять начнет отсасываться воздух, что вызовет опускание стержня 4 вниз, клапан 6 закроется, а клапан 5 откроется. Наступит такт сосания.
Рабочая часть клапана 6 сделана из резины в форме кольца. При разборке коллектора это кольцо снимается, что позволяет вынуть из корпуса стержень 4. Все остальные детали и их взаимное расположение хорошо видны из рисунка.
При работе аппарата во взаимодействии клапанов и мембраны в определенные моменты бывает равновесие сил, возникающих от разности давлений. Их легко определить, если условно считать вес клапанов равным нулю и исключить влияние упругости мембраны 8.
Перед открытием верхнего клапана вакуум в камере 2 будет иметь номинальное значение h, в камере 3 он будет иметь несколько меньшее значение h1, обусловленное тем, что площадь мембраны больше площади клапана 6. Поэтому можно записать:
Коллекторы

где Fм — площадь мембраны;
Fв.к — площадь верхнего клапана.
Площадь клапана 5 больше площади клапана 6. Когда клапан 5 закроется, над ним устанавливается атмосферное давление и на него будет действовать сила вниз. При отсасывании воздуха из камеры 3 наступает момент равновесия сил, действующих на мембрану вверх и на клапан 5 вниз. Этому положению соответствует следующее уравнение:
Коллекторы

где Рн.к — площадь нижнего клапана;
h2 — вакуум в камере 3 в момент равноденствия сил.
Эти два уравнения позволяют ориентировочно определить основные размеры клапанов и мембраны коллектора, необходимые для его конструирования, исходя из заданных параметров коллектора, с некоторыми поправками на вес клапанов и упругость мембраны.
Верхнее расположение молочных патрубков 10 обеспечивает хорошее отключение доильных стаканов, а резиновое кольцо клапана 6 — удобную сборку и разборку коллектора.
При рабочем ходе аппарата, т. е. когда из сосков коровы течет молоко, режим работы коллектора изменяется. Закрытию клапана 5 препятствует поток молока. Это удлиняет такт сосания и обеспечивает впуск воздуха в камеру 1. При бурном истечении молока действие тактов сжатия и отдыха снижается, и отсасывание молока происходит почти непрерывно. При уменьшении потока молока работа аппарата переходит на четкий трехтактный режим. Таким образом обеспечивается положительная обратная связь в работе аппарата в зависимости от истечения молока, что повышает скорость доения, не увеличивая вредного воздействия аппарата на вымя при холостом ходе.
Новый коллектор обладает и еще одной особенностью. Стержень с клапанами -имеет сверху головку 11, с помощью которой можно закрыть нижний клапан и -открыть верхний, что создает такт отдыха, и тогда доильные стаканы легко спадают с сосков. Когда стаканы сняты, воздух через них -поступает в ведро и снижает там вакуум до нуля. Можно ускорить этот процесс, нажав рукой на головку 11. Во время доения нажатие рукой на головку 11 несколько удлиняет такт сосания и переводит аппарат и а двухтактный способ доения.
Такой прием может оказаться полезным при машинном додаивании коров, чтобы при оттягивании стаканов последние не спадали с сосков. Это может оказать пользу и при доении коров с маленькими сосками, когда спадание стаканов затрудняет проведение машинного додаивания.
При применении нового .коллектора отпадает надобность в молочном кране, что существенно упрощает доильный аппарат, так как молочный кран имеет высокую стоимость и с трудом поддается промывке. Стержень же с клапанами в новом коллекторе имеет обтекаемую форму, и промывать его нетрудно. Мембрану изготовляют из пищевой резины, так как она соприкасается с молоком.