挤奶电子脉动器结构设计与试验

吴泽全，东忠阁，侯云涛

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150081）

1 概述

机械化挤奶是标准化规模奶牛场的主要生产环节，在提高劳动生产率、提升牛奶品质、保证食品安全以及降低乳房炎发生，保障奶牛健康等方面，具有非常重要的实际意义。电子挤奶脉动器作为机械化挤奶设备的核心部件，并且作为气脉动器的替代产品，具有脉动频率、脉动比率输出稳定，试用维护方便，适用性广等诸多优点，在机械化挤奶生产中得到了广泛应用。其工作原理是模仿犊牛自然吮乳特征，以电动代替气动，提供连续脉动信号，驱动相连的脉动室（奶杯外套和奶杯外壳之间的空腔）内压力在真空度和大气压之间按一定频率和比率周期性切换，来控制挤奶衬舒张与闭合，以使牛奶从奶牛乳房流出。

2 电子脉动器设计

依据挤奶脉动工作原理，确定电子脉动器的主要工作流程为：调压器输出稳压直流电源→控制器输出可调节的脉动信号→动铁芯周期性关闭或打开气孔→驱动挤奶杯组部件动作。基于以上流程设计脉动器具体结构和控制电路。

2.1 脉动器结构

脉动器主要由定阀体、铁芯、线圈、动铁芯和控制电路等组成，如图1所示。脉动器初始状态时，线圈未供电，动铁芯在自身重力和真空压力作用下位于下方，将真空管道堵塞，阀体内部通过静铁芯阀口以及动铁芯和线圈管壁之间的空隙连通大气，大气通道打开，大气进入挤奶器奶衬与钢杯之间的腔内，大气压力压迫奶衬变形闭合。此时为挤奶休息状态。动铁芯与定铁芯之间的距离（动铁芯行程）为0。当线圈加电时，动铁芯受电磁吸力上抬，将大气通道堵塞，开启真空通道，挤奶器奶衬与钢杯之间腔内的气体随即排出，钢杯腔与奶衬同为真空压，奶衬复原。此时为挤奶工作状态。动铁芯靠脉动信号发生控制器驱动，大气通道与真空通道交替打开，挤奶工作状态与休息状态的交替完成。

图1 电子脉动器结构示意图

2.2 低功耗设计

通过麦克斯韦电磁力、磁通量等公式计算，电磁吸力F与的动铁芯行程平方成反比。再根据路定律计算，电磁吸力特性为二次曲线形状，即随着气隙的减小，可以减小激励电流而能保持电磁吸力不变。该发明结构阀口通径为5mm，根据气体流动原理，通过排气流通面积公式计算，动铁芯行程理论值为1.25mm。

2.3 环形气通道设计

气路通道采用环形通道结构，如图2所示，真空排气通道由圆孔形变成圆环形，气通道截面积加大，该结构可使动铁芯行程在0.9～1.1mm之间时正常工作，与国外电子脉动器产品动铁芯行程1.8～2.0mm之间相比，此外，还加装了反力弹簧，皆有效降低电磁线圈功率消耗达70%，节能效果显著，并增加了脉动信号发生器电子元件参数的电流阈值，减少了线损，间接提高了可靠性。

图2 气通道剖面图

2.4 加工装配工艺

通过一体式电子脉动器总体结构及加工装配工艺的研究，确定保持最佳工作状态的电磁线圈阻容参数和外形尺寸，运动磁铁的质量、形状及橡胶衬垫结构的合理参数，研制成工作效率高、选材精良、抗腐蚀、导热材质抗老化、结构简单、加工方便、互换性好的电子脉动器阀体。按照气体流动原理进行设计计算后，通过在自行设计开发的乳品采集智能化工况模拟与检测系统试验台上反复试验，以保证脉动b相位始终大于30%（国家标准要求），再考虑防止灰尘、油垢引起动铁芯运动不畅的情况，最终选用5mm的阀口通径。

2.5 仿生化设计

模拟牛犊自然吸奶机理，结合控制电路调节脉动频率、脉动比率与占空比。在挤奶准备阶段，控制以260次/min脉动频率，刺激按摩奶牛乳头，催产素分泌。按摩结束后，自动切换以60次/min正常频率进行挤奶作业。脱杯准备阶段，控制以200次/min脉动频率，以期挤奶干净和防止过挤。

3 工作试验

根据国家标准要求，对于奶牛与水牛挤奶，正常挤奶过程中脉动时相b应不小于一个脉动循环的30%，脉动时相d应不低于150ms。将脉动器的脉动频率调整到60次/min，前乳区脉动比率为60%，后乳区脉动比率为60%，脉动性能数据见表1。试验结果表明脉动器工作性能良好，符合标准要求。

表1 脉动性能

4 结语

该挤奶电子脉动器采用一体化结构及模块化装配工艺，设计了低功耗控制电路，具备仿生挤奶功能，可设置挤奶脉动频率与比率，且不随温度、湿度、真空压力变化以及电压波动而改变，脉动工作曲线长期稳定可靠，可分前后乳区分别控制挤奶，保护奶牛乳房，冬天低温条件亦可保证正常工作。