擠奶電子脈動器結構設計與試驗

吳澤全，東忠閣，侯云濤

（黑龍江省農業機械工程科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

1 概述

機械化擠奶是標準化規模奶牛場的主要生產環節，在提高勞動生產率、提升牛奶品質、保證食品安全以及降低乳房炎發生，保障奶牛健康等方面，具有非常重要的實際意義。電子擠奶脈動器作為機械化擠奶設備的核心部件，并且作為氣脈動器的替代產品，具有脈動頻率、脈動比率輸出穩定，試用維護方便，適用性廣等諸多優點，在機械化擠奶生產中得到了廣泛應用。其工作原理是模仿犢牛自然吮乳特征，以電動代替氣動，提供連續脈動信號，驅動相連的脈動室（奶杯外套和奶杯外殼之間的空腔）內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 電子脈動器設計

依據擠奶脈動工作原理，確定電子脈動器的主要工作流程為：調壓器輸出穩壓直流電源→控制器輸出可調節的脈動信號→動鐵芯周期性關閉或打開氣孔→驅動擠奶杯組部件動作?；谝陨狭鞒淘O計脈動器具體結構和控制電路。

2.1 脈動器結構

脈動器主要由定閥體、鐵芯、線圈、動鐵芯和控制電路等組成，如圖1所示。脈動器初始狀態時，線圈未供電，動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，閥體內部通過靜鐵芯閥口以及動鐵芯和線圈管壁之間的空隙連通大氣，大氣通道打開，大氣進入擠奶器奶襯與鋼杯之間的腔內，大氣壓力壓迫奶襯變形閉合。此時為擠奶休息狀態。動鐵芯與定鐵芯之間的距離（動鐵芯行程）為0。當線圈加電時，動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的氣體隨即排出，鋼杯腔與奶襯同為真空壓，奶襯復原。此時為擠奶工作狀態。動鐵芯靠脈動信號發生控制器驅動，大氣通道與真空通道交替打開，擠奶工作狀態與休息狀態的交替完成。

圖1 電子脈動器結構示意圖

2.2 低功耗設計

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

2.3 環形氣通道設計

氣路通道采用環形通道結構，如圖2所示，真空排氣通道由圓孔形變成圓環形，氣通道截面積加大，該結構可使動鐵芯行程在0.9～1.1mm之間時正常工作，與國外電子脈動器產品動鐵芯行程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70%，節能效果顯著，并增加了脈動信號發生器電子元件參數的電流閾值，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器總體結構及加工裝配工藝的研究，確定保持最佳工作狀態的電磁線圈阻容參數和外形尺寸，運動磁鐵的質量、形狀及橡膠襯墊結構的合理參數，研制成工作效率高、選材精良、抗腐蝕、導熱材質抗老化、結構簡單、加工方便、互換性好的電子脈動器閥體。按照氣體流動原理進行設計計算后，通過在自行設計開發的乳品采集智能化工況模擬與檢測系統試驗臺上反復試驗，以保證脈動b相位始終大于30%（國家標準要求），再考慮防止灰塵、油垢引起動鐵芯運動不暢的情況，最終選用5mm的閥口通徑。

2.5 仿生化設計

模擬牛犢自然吸奶機理，結合控制電路調節脈動頻率、脈動比率與占空比。在擠奶準備階段，控制以260次/min脈動頻率，刺激按摩奶牛乳頭，催產素分泌。按摩結束后，自動切換以60次/min正常頻率進行擠奶作業。脫杯準備階段，控制以200次/min脈動頻率，以期擠奶干凈和防止過擠。

3 工作試驗

根據國家標準要求，對于奶牛與水牛擠奶，正常擠奶過程中脈動時相b應不小于一個脈動循環的30%，脈動時相d應不低于150ms。將脈動器的脈動頻率調整到60次/min，前乳區脈動比率為60%，后乳區脈動比率為60%，脈動性能數據見表1。試驗結果表明脈動器工作性能良好，符合標準要求。

表1 脈動性能

4 結語

該擠奶電子脈動器采用一體化結構及模塊化裝配工藝，設計了低功耗控制電路，具備仿生擠奶功能，可設置擠奶脈動頻率與比率，且不隨溫度、濕度、真空壓力變化以及電壓波動而改變，脈動工作曲線長期穩定可靠，可分前后乳區分別控制擠奶，保護奶牛乳房，冬天低溫條件亦可保證正常工作。