擠奶電子脈動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳澤全，東忠閣，侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

1 概述

機(jī)械化擠奶是標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模奶牛場(chǎng)的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提升牛奶品質(zhì)、保證食品安全以及降低乳房炎發(fā)生，保障奶牛健康等方面，具有非常重要的實(shí)際意義。電子擠奶脈動(dòng)器作為機(jī)械化擠奶設(shè)備的核心部件，并且作為氣脈動(dòng)器的替代產(chǎn)品，具有脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)比率輸出穩(wěn)定，試用維護(hù)方便，適用性廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械化擠奶生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其工作原理是模仿犢牛自然吮乳特征，以電動(dòng)代替氣動(dòng)，提供連續(xù)脈動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相連的脈動(dòng)室（奶杯外套和奶杯外殼之間的空腔）內(nèi)壓力在真空度和大氣壓之間按一定頻率和比率周期性切換，來(lái)控制擠奶襯舒張與閉合，以使牛奶從奶牛乳房流出。

2 電子脈動(dòng)器設(shè)計(jì)

依據(jù)擠奶脈動(dòng)工作原理，確定電子脈動(dòng)器的主要工作流程為：調(diào)壓器輸出穩(wěn)壓直流電源→控制器輸出可調(diào)節(jié)的脈動(dòng)信號(hào)→動(dòng)鐵芯周期性關(guān)閉或打開氣孔→驅(qū)動(dòng)擠奶杯組部件動(dòng)作。基于以上流程設(shè)計(jì)脈動(dòng)器具體結(jié)構(gòu)和控制電路。

2.1 脈動(dòng)器結(jié)構(gòu)

脈動(dòng)器主要由定閥體、鐵芯、線圈、動(dòng)鐵芯和控制電路等組成，如圖1所示。脈動(dòng)器初始狀態(tài)時(shí)，線圈未供電，動(dòng)鐵芯在自身重力和真空壓力作用下位于下方，將真空管道堵塞，閥體內(nèi)部通過靜鐵芯閥口以及動(dòng)鐵芯和線圈管壁之間的空隙連通大氣，大氣通道打開，大氣進(jìn)入擠奶器奶襯與鋼杯之間的腔內(nèi)，大氣壓力壓迫奶襯變形閉合。此時(shí)為擠奶休息狀態(tài)。動(dòng)鐵芯與定鐵芯之間的距離（動(dòng)鐵芯行程）為0。當(dāng)線圈加電時(shí)，動(dòng)鐵芯受電磁吸力上抬，將大氣通道堵塞，開啟真空通道，擠奶器奶襯與鋼杯之間腔內(nèi)的氣體隨即排出，鋼杯腔與奶襯同為真空壓，奶襯復(fù)原。此時(shí)為擠奶工作狀態(tài)。動(dòng)鐵芯靠脈動(dòng)信號(hào)發(fā)生控制器驅(qū)動(dòng)，大氣通道與真空通道交替打開，擠奶工作狀態(tài)與休息狀態(tài)的交替完成。

圖1 電子脈動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

通過麥克斯韋電磁力、磁通量等公式計(jì)算，電磁吸力F與的動(dòng)鐵芯行程平方成反比。再根據(jù)路定律計(jì)算，電磁吸力特性為二次曲線形狀，即隨著氣隙的減小，可以減小激勵(lì)電流而能保持電磁吸力不變。該發(fā)明結(jié)構(gòu)閥口通徑為5mm，根據(jù)氣體流動(dòng)原理，通過排氣流通面積公式計(jì)算，動(dòng)鐵芯行程理論值為1.25mm。

2.3 環(huán)形氣通道設(shè)計(jì)

氣路通道采用環(huán)形通道結(jié)構(gòu)，如圖2所示，真空排氣通道由圓孔形變成圓環(huán)形，氣通道截面積加大，該結(jié)構(gòu)可使動(dòng)鐵芯行程在0.9～1.1mm之間時(shí)正常工作，與國(guó)外電子脈動(dòng)器產(chǎn)品動(dòng)鐵芯行程1.8～2.0mm之間相比，此外，還加裝了反力彈簧，皆有效降低電磁線圈功率消耗達(dá)70%，節(jié)能效果顯著，并增加了脈動(dòng)信號(hào)發(fā)生器電子元件參數(shù)的電流閾值，減少了線損，間接提高了可靠性。

圖2 氣通道剖面圖

2.4 加工裝配工藝

通過一體式電子脈動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)及加工裝配工藝的研究，確定保持最佳工作狀態(tài)的電磁線圈阻容參數(shù)和外形尺寸，運(yùn)動(dòng)磁鐵的質(zhì)量、形狀及橡膠襯墊結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)，研制成工作效率高、選材精良、抗腐蝕、導(dǎo)熱材質(zhì)抗老化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、互換性好的電子脈動(dòng)器閥體。按照氣體流動(dòng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，通過在自行設(shè)計(jì)開發(fā)的乳品采集智能化工況模擬與檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上反復(fù)試驗(yàn)，以保證脈動(dòng)b相位始終大于30%（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求），再考慮防止灰塵、油垢引起動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)不暢的情況，最終選用5mm的閥口通徑。

2.5 仿生化設(shè)計(jì)

模擬牛犢自然吸奶機(jī)理，結(jié)合控制電路調(diào)節(jié)脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)比率與占空比。在擠奶準(zhǔn)備階段，控制以260次/min脈動(dòng)頻率，刺激按摩奶牛乳頭，催產(chǎn)素分泌。按摩結(jié)束后，自動(dòng)切換以60次/min正常頻率進(jìn)行擠奶作業(yè)。脫杯準(zhǔn)備階段，控制以200次/min脈動(dòng)頻率，以期擠奶干凈和防止過擠。

3 工作試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于奶牛與水牛擠奶，正常擠奶過程中脈動(dòng)時(shí)相b應(yīng)不小于一個(gè)脈動(dòng)循環(huán)的30%，脈動(dòng)時(shí)相d應(yīng)不低于150ms。將脈動(dòng)器的脈動(dòng)頻率調(diào)整到60次/min，前乳區(qū)脈動(dòng)比率為60%，后乳區(qū)脈動(dòng)比率為60%，脈動(dòng)性能數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明脈動(dòng)器工作性能良好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 脈動(dòng)性能

4 結(jié)語(yǔ)

該擠奶電子脈動(dòng)器采用一體化結(jié)構(gòu)及模塊化裝配工藝，設(shè)計(jì)了低功耗控制電路，具備仿生擠奶功能，可設(shè)置擠奶脈動(dòng)頻率與比率，且不隨溫度、濕度、真空壓力變化以及電壓波動(dòng)而改變，脈動(dòng)工作曲線長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，可分前后乳區(qū)分別控制擠奶，保護(hù)奶牛乳房，冬天低溫條件亦可保證正常工作。