NOWE ROZWIĄZANIA W KONSTRUKCJI GUM STRZYKOWYCH

Transkrypt

1 Inżynieria Rolnicza 4(10)/008 NOWE ROZWIĄZANIA W KONSTRUKCJI GUM STRZYKOWYCH Michał Gedymin, Adam Chmielowski Instytut Budownictwa, Melioracji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie, Oddział Poznań Streszczenie. Porównano zmiany wymiarów pod wpływem naciąu oraz szczelność (dokładność) zamykania się nowych typów um strzykowych o kwadratowym i trójkątnym przekroju trzonu a także kołowym z pierścieniami usztywniającymi. Przeanalizowano celowość i spodziewane korzyści z wprowadzonych zmian konstrukcyjnych (także w stosunku do innych typów um strzykowych opisanych w najnowszej literaturze (Internecie)). Wielokierunkowy sposób zamykania się niektórych nowych um strzykowych wymaa opracowania nowej metodyki oceny nacisków masujących. Zaproponowano nową formułę do teoretyczneo obliczenia tych nacisków jako sumę sił nacisku od zakrzywionej ścianki umy strzykowej oraz od jej swobodneo odcinka pod strzykiem. Słowa kluczowe: wielokątny trzon umy strzykowej, masaż strzyków, laboratoryjna ocena jakości masażu strzyków Wstęp Jednym z łównych parametrów umożliwiających właściwy dój jest odpowiedni nacią umy strzykowej w kubku. Zbyt słaby powoduje bowiem opóźnienie otwierania się umy i skrócenie fazy ssania, ale jednocześnie wraz ze spadkiem siły naciąu poprawia się dopasowanie ścianek trzonu umy do kształtu strzyka w fazie masażu i lepsze odcinanie podciśnienia. W Boasta i in. [004] naciski masujące są tym większe im mniejszy jest promienia uięcia się ścianki wokół strzyka. Dobre dopasowywanie się klasycznej (zamykającej się w jednej płaszczyźnie) umy do strzyka jest równoznaczne z lepszą szczelnością zamknięcia umy w fazie masażu i może być wskaźnikiem wspomnianej cechy. Możliwe jest jednak radykalne zwiększenie nacisków masujących poprzez wielokrotne, równolełe, pionowe pofałdowanie trzonu umy tak, aby powstały liczne żebra moące wywierać znacznie większe siły na koniec strzyka niż klasycznie (płasko) zamykająca się uma strzykowa. Taka sytuacja wystąpi przy wielokierunkowym zamykaniu się umy, co jest możliwe tylko w przypadku wielokątneo kształtu trzonu umy. Materiał i metody Badania przeprowadzono na specjalnych stanowiskach badawczych (rys. 1a, 1b). Na stanowisku (rys. 1a) badano zmiany wymiarów um pod wpływem naciąu w ranicach 0 do 100 N oraz szczelność zamknięcia w fazie masażu za pomocą probierczeo 89

2 Michał Gedymin, Adam Chmielowski strumienia powietrza 5 do 5 l min -1. Na stanowisku (rys.1b) - na sztucznym wymieniu - szczelność tę oceniano przy użyciu strumienia wody l/min wykonując dój tylko pojedynczeo strzyka. Średnicę, boki oraz wysokości w przekroju poprzecznym trzonu umy strzykowej mierzono zodnie z normą ISO 5707 w odlełości 75 mm od órnej krawędzi łówki. Do pomiarów wszystkich wielkości liniowych użyto suwmiarki o dokładności 0,1 mm, naprężeń dynamometru o dokładności 0,5 N, przebieu podciśnienia wakuometru lub Pulsatortestera Pt-V o dokładności 0,5 kpa, dopływu wody rotametru o dokładności 0,0 l min -1, napływu powietrza rotametru o dokładności 0, l min -1. Rys. 1. Fi.1. Stanowisko do badań szczelności (dokładności) zamykania się um strzykowych: a) za pomocą powietrza, b) za pomocą wody: 1 podstawa, rama przyrządu, badana uma strzykowa, 3 zaczep do naciąania, 4 dynamometr, 5 tuleja do naciąania umy s., 6 płyta do osadzania umy s., 7 skala do pomiaru naciąu, 8 zawór trójdrożny, 9 rurocią powietrzny dojarki, 10 pulsator, 11 sztuczny strzyk, 1 zatyczka, 13 końcówka krótkieo przewodu mleczneo, 14 zawór reulacyjny 15 rotametr powietrzny, 16 rotametr wodny, 17 Pulsatortester Pt-V, 18 wakuometr, 19 kubek udojowy, 0 kolektor (rura szklana), 1 dłui przewód mleczny, bańka, 3 zbiornik zasilający, 4 zbiornik wyrównawczy Teat um leaktihtness (closure) testin post: a) with the use of air, b) with the use of water; 1 base, frame of the device, tested teat um, 3 catch for stretchin, 4 dynamometer, 5 sleeve for stretchin the teat um, 6 plate for settin the teat um, 7 scale for tension measurement, 8 three-way valve, 9 pneumatic pipeline of the milkin apparatus, 10 pulsator, 11 artificial teat, 1 stopper, 13 short milkin pipe tip, 14 control valve, 15 air rotameter, 17 Pulsatortester Pt-V, 18 vacuum meter, 19 teat cup, 0 collector (lass pipe), 1 lon milkin pipe, can, 3 feedin tank, 4 compensatin tank 90

3 Nowe rozwiązania w konstrukcji... Wyniki Wyniki pomiarów szczelności (dokładności) zamykania się poszczeólnych um strzykowych przy pomocy probierczeo strumienia powietrza przedstawiono na wykresie rys., a za pomocą strumienia wody na rys. 3. Z teo druieo wykresu wynika, że tylko uma kwadratowa (Stranko) zamyka się na tyle dokładnie, że widać to w postaci dodatkowych chwilowych spadków podciśnienia w fazie masażu (ok. kpa) spowodowanych pewnym niewielkim wypływem wody ze sztuczneo strzyka. Natomiast w badaniach z użyciem powietrza (rys. ) najmniejsze spadki podciśnienia wykazywała uma trójkątna, co wyraźnie wskazuje na niezbyt dokładne zamykanie się tej umy w tej fazie. Pomiary średnic (rys. 6) umy okrąłej z pierścieniami usztywniającymi (Spaiari) pozwalają stwierdzić, że uma ta ulea owalizacji pod wpływem sił naciąu i korzystny kształt jak na rys. 8e występuje tylko w jednej płaszczyźnie. Ponadto przy ocenie wielokątnych um strzykowych przydatne jest określenie wielkości zjawiska rozdęcia (baloninu) występujące w przypadku pojawienia się w czasie doju dużych oporów przepływu w krótkim i dłuim przewodzie mlecznym, a co pokazano na wykresie (rys. 6). Przy różnicy ciśnień powyżej 7 kpa umy wielokątne odkształcają się tak samo jak okrąłe zachowując nadal prawie nie zmieniony kształt. Rys.. Fi.. Wielkość podciśnienia pod strzykiem w fazie masażu przy napływie powietrza pod strzyk 5 5 l min -1 i przy zmianie naciąu umy strzykowej N. Podciśnienie robocze 50 kpa Value of the neative pressure under the teat at the massae phase at 5 5 L min -1 airflow rate under the teat, the chane in the teat um tension bein N. Operatin neative pressure 50 kpa. 91

4 Michał Gedymin, Adam Chmielowski Rys. 3. Fi.3. Przebiei podciśnienia pod sztucznym strzykiem w różnych umach przy wypływie wody l min -1. podciśnieniu roboczym 50 kpa, uzyskane na stanowisku rys.1b Neative pressure courses under the artificial teat in the case of various ums at water outflow rate of L min -1 and operatin neative pressure of 50 kpa, obtained at the post Fi. 1b Rys. 4. Fi. 4. Zmiana wymiarów poprzecznych umy strzykowej okrąłej z pierścieniami usztywniającymi (Spaiari) przy zmianie siły naciąu. maksymalna różnica pomiarów danej średnicy w dwóch prostopadłych kierunkach Chanes in the transverse dimensions of the circular teat um with stiffenin rins (Spaiari) with a chane in the tension force. - maimum difference in the measurements of a iven diameter in two perpendicular directions 9

5 Nowe rozwiązania w konstrukcji... Rys. 5. Fi. 5. Zmiana wymiarów poprzecznych trzonów rożnych um strzykowych pod wpływem rozdęcia (dodatniej różnicy ciśnień między komorą podstrzykową a międzyścienną) Chanes in the traverse dimensions of various teat um stems under the influence of epansion (positive difference in pressures between the under-teat chamber and interwall chamber) Omówienie wyników badań i wnioski Podstawowym celem wdrożenia do praktyki dojarskiej trójkątnych um strzykowych wydaje się być możliwość uzyskania znacznie większych nacisków masujących niż w dotychczas spotykanych umach. Inne parametry tych um nie wskazują na ich lepsze dopasowanie lub współpracę ze strzykiem. Kilkukrotnie mniejsza szczelność zamknięcia tych um w fazie masażu w porównaniu do wyników badań um płasko zamykających się w tym kwadratowej [Gedymin 005, 006] wynika z większej liczby szczelin oraz ich większych rozmiarów dró którymi podciśnienie może swobodnie przenikać w kierunku strzyka (rys. 7c). Stąd potrzeba wypracowania zupełnie nowej metodyki, bowiem użycie probierczeo strumienia powietrza lub wody nie dało jednoznacznych do zinterpretowania wyników (wykresy rys., 3). Szczeólnie należałoby się skupić na możliwości pomiaru nacisków tylko w obrębie sameo końca strzyka, bowiem z teoretycznych rozważań wynika, że występują tylko w tym miejscu (rys. 8). Zaproponowana przez Szlachtę i Wierciocha [1993] metoda pomiaru nacisków masujących bazująca na ich jednorodnym rozkładzie na całej powierzchni kontaktu strzyka z umą strzykową nie nadaje się tu z przyczyn oczywistych. Wyniki pomiarów zmiany kształtów wielokątnych um strzykowych pod wpływem nadciśnienia (rys. 5) pokazują, że płaskie ściany trzonu tych um odkształcają się nieznacznie, co oznacza że strzyki krów dojonych takimi umami będą musiały zawsze przybierać w przekroju kształt kwadratu lub trójkąta, a co dotychczas nie zostało przebadane z punktu widzenia fizjoloii. Jednakże umy o przekroju kwadratowym trzonu jak dotąd zbierają bardzo pochlebne oceny ze strony użytkowników, natomiast o trójkątnych brak jest szerszej opinii z wyjątkiem zalecenia, że należy je używać do doju krów rasy Jersey. Na rys. 6a, b, c przedstawiono różne sytuacje oddziaływania umy strzykowej na strzyk w fazie masażu. 93

6 Michał Gedymin, Adam Chmielowski Rys. 6. Oddziaływanie umy strzykowej na strzyk: - w fazie masażu: a) uma miękka, słabo naciąnięta, b) uma sztywniejsza, mocniej naciąnięta, c) uma trójkątna (strzałki pokazują wypadkowe sił masujących); - w fazie ssania: d) uma okrąła klasyczna, e) uma okrąła z pierścieniami usztywniającymi (1) Fi. 6. Effect of the teat um on the teat: at the massae phase: a) soft um, weakly stretched, b) stiffer um, more stronly stretched, c) trianular um (arrows show the resultant massain forces): - at the suction phase: d) classic circular um, e) circular um with stiffenin rins (1) Rys. 7. Fi. 7. Schematyczne (w przekroju poprzecznym) widoki zamykania się różnych um strzykowych i odpowiadające im kierunki (tylko składowe poziome) oddziaływania sił masujących koniec strzyka oraz reakcji na podciśnienie (rys. a,b,c badania własne, d www. boumatic.com/product_milkin_systems) Schematic (cross-section) views of the closin of various teat ums and the relevant directions (only the horizontal components) of the action of forces massain the teat tip and the reaction to neative pressure (Fi. a, b, c individual study, d - www. boumatic.com/product_milkin_systems) 94

7 Nowe rozwiązania w konstrukcji... Rys. 8. Fi. 8. Zależności eometryczne dla trzonu umy strzykowej współpracującej ze strzykiem Geometric dependencies for the stem of the teat um cooperatin with the teat Rys. 9. Fi. 9. Wyznaczanie momentu bezwładności przekroju poprzeczneo dla umy: a trójkątnej, b kwadratowej (oraz okrąłej o sztywniejszych ściankach) Settin the moment of inertia of the cross section of the ums: a trianular, b square (and circular um with stiffer walls) Wykorzystując wzory z mechaniki technicznej [Niezodziński 1973] zaproponowano teoretyczne wyznaczanie nacisków p m. W przypadku dy przyjąć, że uma strzykowa zachowuje się jak błona, to naciski masujące wyniosą: dzie: O N R d s a p m 1000 N = p1 = [kpa] O R obwód trzonu umy [mm], siła naciąu umy strzykowej w kubku udojowym [N], promień zaokrąlenia końca strzyka [mm], średnica nie masowaneo końca strzyka [mm], szerokość boku umy wielokątnej [mm], rubość ścianki trzonu umy [mm]. 95

8 Michał Gedymin, Adam Chmielowski Takie podejście reprezentuje większość badaczy np. Boast i in. 004, Williams, Mein 1980 przy czym ci ostatni przyjęli na podstawie wielu obserwacji, że R:R 1 = 5:1 i w związku z tym p 1 = 0, Δp. Jeżeli jednak przyjąć, że ścianka umy strzykowej ma jakąś sztywność to promień R 1 i dłuość L na pewno się zwiększą co oznacza wzrost nacisków o wartość p czyli p m = p 1 +p [kpa]. Uięcie f pręta zinaneo i rozciąaneo jednocześnie oblicza się z zależności = + f fb f p q L Δp a L dzie: f b = = [mm] (uięcie błony) 8 N 8000 N 4 4 q L Δp a L fp = = [mm] (uięcie pręta obciążoneo poprzecznie) 76,8 E J E J a N oraz dzie =, a szerokość przyjęta do obliczeń J [mm], q obciążenie liniowe O N [N/mm], L dłuość odcinka umy strzykowej nie oparteo o strzyk lub przeciwlełą ścianę [mm], Δp różnica ciśnień między wnętrzem a zewnętrzem umy strzykowej [kpa], E moduł sprężystości umy [MN m - ; N mm - ], J moment bezwładności przekroju poprzeczneo framentu trzonu umy o szerokości a [mm 4 ]. Przyjmując, że EJ = 0 i całkowite uięcie f wynika tylko z odpowiednio zwiększoneo Δp a L naciąu umy możemy napisać że f = [mm] i wykorzystując formułę na 8000 ΔN + N ( ) ,8 E J odwrotność strzałek uięcia wyznaczyć ΔN = [N] dzie ΔN dodatkowa 8 L ΔN 1000 wirtualna siła naciąu umy na szerokości a. Wobec teo p = [kpa]. Dłu- a R L L L ość L można obliczyć: L = + [mm] dzie L N ds 1000 = [mm] (dłu- Δp O E J ość błony), L = 4 [mm] (dłuość pręta zinaneo). Δp a Tak więc sztywność ścianki trzonu umy strzykowej ma tak samo istotne znaczenie dla masażu strzyków jak jej naprężenie (nacią); szczeólnie dla um wielokątnych, a pojawienie się um o trójkątnym kształcie trzonu stawia nowe problemy badawcze wymaające nowych metodyk i być może zweryfikowania kryteriów oceny um strzykowych. 96

9 Nowe rozwiązania w konstrukcji... Bibliorafia Boast D., Hale M., Turner D., Hillerton E., Middleton N., Ohnstad I Variation in the rubber chemistry and dynamic mechanical properties as liners ae. Bulletin of the IDF, 388. s Gedymin M Wpływ zmiany kształtu trzonu umy strzykowej z okrąłeo na kwadratowy na jej oddziaływanie na strzyk. XI Międzynarodowa Konferencja Naukowa: Problemy Intensyfikacji Produkcji Zwierzęcej z uwzlędnieniem ochrony środowiska i standardów UE. IBMER Warszawa. s Gedymin M Wpływ zmiany kształtu trzonu umy strzykowej z okrąłeo na trójkątny na jej oddziaływanie na strzyk. XII Międzynarodowa Konferencja Naukowa: Problemy Intensyfikacji Produkcji Zwierzęcej z uwzlędnieniem ochrony środowiska i standardów UE. IBMER Warszawa, s Niezodziński M., Niezodziński T Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe. PWN Warszawa, wydanie II. Szlachta J.; Wiercioch M Naciski masujące oraz powierzchnia otwarcia zmodyfikowanych um strzykowych. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1. s Williams D.M. Mein G.A Effects of pulsation and pulsation failure on the bovine teat canal. Proc. Intl. Workshop of Machine Milkin and Mastitis, Moorepark Ireland; IDF Brussels Belium. s NEW SOLUTIONS CONCERNING THE CONSTRUCTION OF TEAT GUMS Abstract. Chanes in the dimensions under the influence of tension, as well as leaktihtness (closure) of new types of teat ums with a square or trianular stem section, and with a circular stem section with stiffenin rins, were compared. The purposefulness and the epected benefits resultin from the introduced constructional chanes (also in relation to other types of teat ums described in the latest literature (Internet)) were analyzed. The multidirectional way of closin certain new types of teat ums needs the development of new methodoloy of massae pressure estimation. A new formula was proposed so as to calculate theoretically these pressures as a sum of pressure forces from the curved wall of the teat um and from its unbounded section under the teat. Key words: polyonal stem of the teat um, teat massae, laboratory assessment of teat massae quality Adres do korespondencji: Michał Gedymin; medymin@ibmer.waw.pl Instytut Budownictwa, Melioracji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie, Oddział Poznań ul. Biskupińska Poznań 97