CC BY
92
НГИЭИ. 2012. 396 с.
9. Кирсанов В. В. и др. Тенденции развития доильного оборудования за рубежом / (Ан. обзор). М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2000. 76 с.
10. Кормановский Л. П., Шумилов И. Ф. Конвейерный способ содержания коров. В сб. Практика механизации ферм / М. : Колос, 1973.
11. Кормановский Л. П. Теория и практика поточно-конвейерного обслуживания животных. М. : Колос, 1982. 368 с.
12. А. с. № 1717023. Устройство для хронометража технологических операций на доильных установках / Ю. А. Цой, А. Н. Могильный, В. В. Кирсанов и др. // БИ , 1992. № 9.
13. ОСТ 70.20.2.80. Испытания сельскохозяйственной техники. Установки доильные для коров.
Программа и методы испытаний.
14. Цой Ю. А. Процессы и оборудование до-ильно-молочных отделений животноводческих ферм. М. : ГНУ ВИЭСХ, 2010. 424 с.
15. Де Лаваль. Рекламный проспект «Доение», 2013.81 с.
16. Де Лаваль. Рекламный проспект. Роторные залы, 10.2012 г.
17. Де Монмоллен Н. Системы «человек-машина» / Н. де Монмоллен. М. : Мир, 1973. с. 256.
18. Доильные роботы фирм США, ФРГ и Дании / Melktechnik bietet viel Neues // DLZ, 2009. № 1. С.95-97.
19. Какая «Карусель» удобнее в обслуживании? / Тест TOPAGRAR // Сельхозтехника. С. 66-73.
20. Gea-farmtechnologies. 2013.
05.20.01
УДК 631.171: 636.085
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ПОЧЕТВЕРТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРОЦЕССОМ ДОЕНИЯ
© 2016
Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией
Павкин Дмитрий Юрьевич, аспирант
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, Москва (Россия)
Аннотация. Введение. Анализ взаимодействия элементов биотехнической системы «Человек-машина-животное» при машинном доении коров предполагает комплексное изучение основных закономерностей функционирования молоковыводящей системы вымени животного и физиологически совместимого ответного воздействия доильной машины на основе углубленного исследования морфологических и лактогенетических характеристик биологических объектов в виде неравномерного опорожнения отдельных четвертей вымени, различной продолжительности латентного периода рефлекса молокоотдачи, характера лактационной доминанты, тугодой-ности, стрессоустойчивости, изменения электропроводности молока, включающих оптимизацию режимов меха-но-термо-электростимуляции вымени, почетвертное управление процессами молокоотдачи на основе импульсной модуляции вакуумметрического давления и отключения от вакуума выдоенных долей вымени, защиту сосков вымени от бактериальных инфекций антимикробным наноагентом, входящим в рецептурный состав сосковой резины, контроль и управление двухфазными молоковоздушными потоками с разрывами сплошности, исключающие обратные токи к вымени, перекрестный перенос инфекций от здоровых четвертей к больным, точное знание продуктивности и полное безопасное выдаивание коров.
В статье приведены методы и направления исследований сложных биотехнических систем «человек-машина-животное» при машинном доении коров, рассмотрены условия физиологически безопасного процесса доения по отдельным четвертям вымени, предложена структурная схема и экспериментальный образец адаптивного доильного аппарата, общий вид переносного автоматизированного доильного аппарата для линейных установок.
Выводы. Впервые предлагается возможность создания унифицированного доильного аппарата с повышенными адаптивными свойствами, совместимого с системами АСУ ТП, для использования как в станочных, так и на линейных доильных установках с молокопроводом.
Ключевые слова: биотехническая система, адаптивный доильный аппарат, почетвертное доение, синхронизация молокоотдачи и молоковыведения, схемы, экспериментальный образец.
DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED MILKING MACHINE WITH PAKETLERININ CONTROL THE MILKING PROCESS
© 2016
Kirsanov Vladimir Vyacheslavovich, doctor of technical Sciences, Professor, head. laboratory Palkin Dmitry Yuryevich, postgraduate student All-Russian research Institute for electrification of agriculture, Moscow (Russia)
Abstract. Introduction. The analysis of the interaction of the elements of the biotechnical system "Man-machine-animal" during machine milking of cows provides a comprehensive study of the basic regularities of the functioning molomolyntsi system of the udder of the animal and physiologically compatible response effects of milking machine on the basis of in-depth study of morphological and ectogenetically characteristics of biological objects in the form of uneven emptying of the individual quarters of the udder of varying duration of the latent period of the reflex of milk output, the nature of the lactation dominant, logodaedaly, stress, change of electrical conductivity of milk, including the optimization of the modes of mechanical and thermal stimulation of the udder, pochettino management processes milk output based on the modulation of vacuum pressure and disable vacuum milked a share of the udder, protection of the teats of the udder from bacterial infections antimicrobial nanoagents within the prescription of the liner, the control and management of molokopodobnye two-phase flows with breaks of continuity, which excludes reverse current to the udder, cross-transmission of infections from the healthy to the sick quarters, accurate knowledge of the productivity and full safe milking of cows.
The article presents the methods and research of complex of biotechnical systems "man-machine-animal" during machine milking, the conditions physiologically safe milking in individual quarters of the udder, the proposed structural scheme and an experimental model of adaptive milking machine, General view of the portable automated milking machine for linear systems.
Conclusions. For the first time offers the possibility of creating a unified milking machine with high adaptive properties, compatible with automated control systems, for use in the machine tool, and linear milking machines with milk pipeline.
Keywords: biotechnical system, the adaptive milking machine, milking pochettino, synchronization of galactopoie-sis and lactation, diagrams, the experimental sample.
Анализ взаимодействия элементов биотехнической системы «Человек-машина-животное» при машинном доении коров предполагает комплексное изучение основных закономерностей функционирования молоковыводящей системы вымени животного и физиологически совместимого ответного воздействия доильной машины на основе углубленного исследования морфологических и лактогенетических характеристик биологических объектов в виде неравномерного опорожнения отдельных четвертей вымени, различной продолжительности латентного периода рефлекса молокоотдачи, характера лактационной доминанты, тугодойности, стрессоустойчивости, изменения электропроводности молока, включающих оптимизацию режимов механо-термо-электро-стимуляции вымени, почетвертное управление процессами молокоотдачи на основе импульсной модуляции вакуумметрического давления и отключения от вакуума выдоенных долей вымени, защиту сосков вымени от бактериальных инфекций антимикробным наноагентом, входящим в рецептурный состав сосковой резины, контроль и управление двухфазными молоковоздушными потоками с разрывами сплошно-
сти, исключающие обратные токи к вымени, перекрестный перенос инфекций от здоровых четвертей к больным, точное знание продуктивности и полное безопасное выдаивание коров.
В имеющихся публикациях [1, 2, 4, 5, 6] дается оценка сложности взаимодействия исполнительных механизмов доильной машины с выменем животного, предлагаются методики расчета основных конструктивно-режимных параметров доильных аппаратов, описываются тренажеры для формирования навыков у операторов при машинном доении коров, ставится проблема более тесного и детального изучения механизмов взаимодействия исполнительных механизмов доильных аппаратов и вымени коровы.
К недостаткам известных работ следует отнести то, что в основе предлагаемых моделей лежат допущения о постоянстве скорости выдаивания отдельных четвертей, а предлагаемые алгоритмы управления строятся исключительно на интегральном показателе - скорости молоковыведения, что не полностью соответствует сложности рассматриваемой проблемы [7-20].
Методология проведения исследований заключается в новых методах и подходах к моделированию и оценке взаимодействия основных элементов биотехнической системы «Человек-машина-животное» при машинном доении коров. Впервые предлагается комплексное изучение основных закономерностей функционирования молоковыводящей системы вымени животного и физиологически совместимого ответного воздействия доильной машины на наиболее чувствительные органы (соски вымени) на основе углубленного исследования механизмов адаптации в условиях высокой вариабильно-сти морфологических и лактогенетических характеристик биологических объектов в виде неравномерного опорожнения отдельных четвертей вымени, различной продолжительности латентного периода рефлекса молокоотдачи, характера лактационной доминанты, порога болевых ощущений, тугодойности, стрессоустойчивости, изменения электропроводности молока вследствие заболевания маститом, включающих оптимизацию режимов механо-термо-электростимуляции вымени, почетвертное управление скоростью молокоотдачи на основе моделируемой импульсной модуляции вакуумметрического давления, контроль пред-в процессе- и последоильно-го состояния (в том числе паталогического) отдельных долей вымени на основе биосенсорных датчиков и электрофизических методов, защиту сосков вымени от бактериальных инфекций антимикробным наноа-гентом, входящим в рецептурный состав сосковой резины, контроль и управление двухфазными моло-ковоздушными потоками с разрывами сплошности, исключающие обратные токи к вымени, перекрестный перенос инфекций от здоровых четвертей к больным, точное знание продуктивности и полное безопасное выдаивание коров.
Для более точного определения основных параметров разрабатываемой биотехнической системы необходимо изучить отечественный и мировой опыт в данной области исследований. Следует отметить, что наиболее полная реализация данной концепции может быть достигнута в роботизированных системах доения [3].
Наиболее важной из проблем в процессе создания адаптивной доильной машины является синхронизация скорости молокоотдачи и скорости молоко-выведения по каждой четверти вымени отдельно с последующим отключением выдоенных долей, что позволило бы исключить их «сухое» доение и, как следствие, снизить заболевание коров маститом.
При этом важным учитываемым признаком для сокращения продолжительности холостого доения и сохранения здорового вымени является соотношение или пропорция удоев четвертей в общей продуктив-
ности вымени и его индекс - объективный показатель развития и функционального состояния долей вымени.
Изучая вышеуказанные и другие признаки, ученые отмечают не синхронность выдаивания отдельных долей вымени, а также длительное влияние холостого доения первой опорожнившейся доли, делая вывод о том, что долговременное воздействие (более 1,5-2 мин.) доильного аппарата на выдоенную долю может способствовать возникновению у коров маститов [5].
Одной из первых, кто попытался решить эту проблему, была американская фирма «Перфекшн», производившая доильные аппараты с отключателями выдоившихся сосков, располагавшимися на доильном ведре, которое подвешивалось под брюхом коровы. В этом случае доильный стакан, упавший с соска не падает в грязь. При доении коров в молокопровод эта задача усложняется, поскольку отключение отдельных стаканов от вакуума без дополнительной их поддержки приведет к их неминуемому спаданию с вымени и затруднит выдаивание других долей (чаще всего задних).
Поэтому предлагается компромиссный вариант: отключение индивидуальной пульсации выдоенных сосков (Фирма «Милклайн» Италия) в такте сжатия с сохранением номинального подсоскового вакуума или снижение последнего до 33 кПа (аппарат «Дуовак-300» компании Де Лаваль) без снятия аппарата с вымени, при этом сохраняется воздействие ва-куумметрического давления на соски вымени. Более радикальное решение - это индивидуальное снятие доильных стаканов с вымени, реализованное в конструкции доильного аппарата фирмы IMPULSA AG Elsterwerda Германия под названием «Мультилак-тор», который не имеет коллектора, что позволяет подключать и отключать доильные стаканы независимо. Однако бесколлекторный вариант подвесного доильного аппарата практически невозможно реализовать без особой механической поддержки на линейных доильных установках, которые имеют в России широкое распространение.
Условие адаптивности доильного аппарата можно записать следующим образом:
q (t ) = imi (t ) . (i)
По условию адаптивности (1) скорость молоко-отдачи должна равняться скорости молоковыведения
Чг (t) > Iml (t ) . (2)
При выполнении условия (2), когда скорость молокоотдачи превышает скорость молоковыведения, происходит замедленное доение.
Чг (t,0...T) < Imi (t,0...T) . (3)
Когда скорость молокоотдачи становится меньше скорости молоковыведения (3) наступает сухое доение (в большинстве случаев передних долей вымени).
Таким образом, с целью синхронизации процессов молокоотдачи и молоковыведения по отдельным четвертям вымени надо изучить функциональные зависимости этих показателей от ряда биологических параметров животного (общий удой, индекс вымени, коффициенты гидравлического сопротивления молоковыводящих протоков, сфинктера, объемы молока в цистернальном и альвеолярном отделах четверти, и других, а также управляемые параметры пульсирующего вакуума (частота пульсаций, уровень вакуума и соотношение тактов), определяемым соотношениями (4)
qt (t,0...T) = f (Q;kx...kn) (4)
Imi (t,0..T) = f (n; APeaK; i)
Экспериментальная база
Для практического подтверждения разработанной концепции была проведена статистическая обработка данных по доению с доильных роботов Lely «аstronaut» (164 коровы).
Полученные данные были обработаны (рис. 1) при помощи программы Excel с использованием методов математической статистики, при этом в выборке исключали тугодойных коров. Для получения информации по продолжительности доения отдельных долей вымени коровы было сформировано 7 интервальных групп (от 0-50 cек до 350-400 сек). Для каждой группы были получены средние значения времени доения каждой четверти ^ср.), отклонение от среднего значения по всему стаду каждой группы (о,
мин), максимальные(max), минимальные^т) значения выборки и коэффициент вариации (V, %). На гистограмме над каждым столбцом обозначено среднее время доения для каждой интервальной группы.
Исходя из того, что каждая доля вымени имеет свою продуктивность и скорость выдаивания, так как функционирует практически автономно, это и обуславливает разное время их выдаивания. Таким образом доли, выдоившиеся быстрее, каждодневно могут подвергаться «сухому доению», при котором используемый вакуум проникает во внутреннюю полость вымени, травмирует её и может вызвать кроводой. Наиболее значительному разрушительному воздействию подвергаются поверхностные ткани соска.
Данные, полученные с роботов Lely «astronaut», имеют некоторые недостатки, поскольку предоставляется только информация по времени доения каждой четверти вымени без количества молока, полученного от нее. Тем не менее полученных данных достаточно, чтобы сделать вывод о необходимости разработки адаптивных алгоритмов управления параметрами работы доильных аппаратов по отдельным четвертям вымени и их использования в других технологиях доения («Ёлочка», линейные установки). Так как каждая доля доится разное время, то необходимо по окончании доения своевременно отключать соответствующий доильный стакан и удерживать его в вертикальном или наклонном положении, избегая засасывания в него вакуумом загрязнений и перераспределения массы доильного аппарата на еще продолжающие доиться четверти.
Учитывая вышеизложенное, структурная схема предлагаемого доильного аппарата может выглядеть следующим образом.
Рисунок 1 - Распределение времени доения по четвертям вымени при доении роботом Ье1уа81хопаи1
Рисунок 2 - Схема доильного аппарата с почетвертным управлением
На основании исходных требований был разработан экспериментальный образец автоматизированного переносного доильного аппарата для установок с линейным молокопроводом.
Рисунок 3 - Общий вид переносного
автоматизированного доильного аппарата для линейных установок
В состав доильного аппарата (рис.3) входит: адаптивная подвесная часть с дифференцированной механической нагрузкой и пульсирующим вакуумом по передним и задним долям вымени (1), электронный пульсатор попарного действия с регулируемыми параметрами (2), счетчик-датчик измерения количества и потока молока с отключением доильных стаканов (3), пнемоцилиндр автосъема стаканов с вымени коровы (4), электронный блок управления процессом доения (5), комплект молоко-вакуумных шлангов и устройство подключения к молокопроводу с р азъ е мо м для э ле ктро питания 2 4 В (6). Счетчик-датчик обеспечивает дискретное непрерывное измерение потока молока, его суммирование за все время доения на индикаторе с отображением скорости мо-локоотдачи и удоя, отключение доильных стаканов от вакуума в конце доения.
Электронный блок управления процессом доения обеспечивает режим стимуляции молокоотдачи в начале и конце доения, режим основного доения и режим додаивания с отключением стаканов и последующим их автосъемом.
Выводы
Впервые в отечественной практике представляется возможность создания унифицированного до-
ильного аппарата с повышенными адаптивными свойствами, совместимого с системами АСУ ТП, для использования как в станочных, так и на линейных доильных установках с молокопроводом. Данное обстоятельство позволяет поднять технический уровень последних, как наиболее распространенных и обеспечить их конкурентноспособность по сравнению с известными аналогами фирм Де Лаваль (система Дельпро) и ГЕА ФАРМ (система Дематрон).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев С. А., Карташов Л. П. Исполнительные механизмы системы «Человек-машина-животное». Екатеринбург : УрО РАН. 2001. 178 с., ISBN 5-7691-1164-Х.
2. Кирсанов В. В., Щукин С. И., Легеза В. Н. Направления совершенствования исполнительных механизмов доильных установок//Достижения науки и техники АПК. 2010. № 1. С. 64-65.
3. Цой Ю. А., Кирсанов В. В., Петренко А. П. Функционально-стоимостной анализ роботизированных систем и выбор альтернативных вариантов добровольного доения коров // Техника и оборудование для села. 2014. № 8 (206). С. 33-36.
4. Кирсанов В. В. Метод создания многофункциональной элементной базы доильного оборудования // Техника и оборудование для села. 2012. № 9. С.16-18.
5. Гриневич И. И., Палкин Г. Г. Доильный аппарат с укороченным тактом сосания передних долей вымени // Проблемы интенсификации производства молока. Тезисы научно-производственной конференции. 4.2. Минск. 1991. С. 132-133.
6. Ужик В. Ф., Белокобыльский А. А. Исследование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с управляемым режимом дое-ния//Вестник Всероссийского НИИ механизации жи-вотноводства.2008. Т.18. № 2. С. 97-104.
7. Кирсанов В. В., Симарев Ю. А, Филонов Р. Ф. Механизация и автоматизация животноводства. Учебник для студентов среднего профобразования по специальности 3103 «Зоотехния». Москва. Изд-во Акдемия, 2004. 398 с.
8. Виницки С., Романюк В., Юговар Е., Артс И., Савиных П. А. Эффективность применения доильных роботов на фермах крупного рогатого скота // Вест-
ник Марийского государственного университета. 2014. № 1 (13). С. 28-35.
9. Иванов Ю. А. Новые технологии в животноводстве // Техника и оборудование для села. 2010. № 1. С. 36-39.
10. Скворцов Е. А. Сельскохозяйственные роботы в системе воспроизводственных процессов // Аграрный вестник Урала. 2015. № 3 (133). С. 89-93.
11. Холманов А., Осадчая О., Алексеенко А. Доильные роботы: преимущества и перспективы. Животноводство России. 2008. № 5. С. 73-75.
12. Трофимов А. Ф., Тимошенко В. Н., Музыка А. А. и др. Использование роботизированных доильных установок - преимущества и проблемы // Вестник Сумского национального аграрного университета. 2014. № 2-2. С. 208-212.
13. Соловьев С. А., Колпаков А. В., Солдатов В. Г. Анализ функциональных обязанностей ведущих западных фирм // Вестник ВНИИМЖ. 2011. Том 22. № 2. С. 30-37.
14. Кормановский Л. П., Иванов Ю. А., Текучев И. К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. № 8 (134). С. 36-38.
15. Мишуров Н. П. Основные направления совершенствования доильных роботов // Сборник научных докладов ВИМ. 2010. Т. 1. С. 497-506.
16. Карнаухов Б. И. Автоматические системы доения // Техника и оборудование для села. 2010. № 1. С. 45-47.
17. Кормановский Л. П. Вопросы автоматизации молочного производства на базе роботов // Сборник научных докладов ВИМ. 2008. Т. 1. С. 114-117.
18. Рыжов С. В., Князев А. Ф. К вопросу об автоматизации процессов производства молока // Сборник научных докладов ВИМ. 2008. Т. 1. С. 439-441.
19. Текучев И. К., Текучева М. С. Инновационные технологии и технические средства для молочного скотоводства // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2014.№ 2 (14). С. 69-77.
20. Кормановский Л. П. Дальнейшее расширение роботизации доения // В сборнике : Международный агроэкологический форум Материалы Международного агроэкологического форума : в 3-х томах. 2013. С.118-122.
