CC BY
14УДК 636.2.034:631.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАССАЖА ВЫМЕНИ
НЕТЕЛЕЙ ДВУХКАМЕРНОГО ТИПА
КУРОЧКИН Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, профессор кафедры пищевых производств, Пензенский государственный технологический университет, г. Пенза, [email protected]
Одним из актуальных направлений в совершенствовании средств механизации подготовки нетелей к лактации является разработка устройств для комбинированного (пневматического и механического) воздействия на молочную железу животных. Такое воздействие, обеспечиваемое с помощью массажных устройств двухкамерного типа, позволяет в конечном итоге получить синер-гетический эффект в виде повышения продуктивности животных за счет лучшего развития их молочной железы и снижения риска заболевания маститом коров-первотелок в начальный период применения доильных аппаратов. Экспериментальные исследования массажного устройства этого типа выполнены с помощью специально разработанного лабораторного стенда. Реализация эксперимента с матрицей почти D-оптимального плана типа Bn и статистическая обработка его результатов позволили получить математическую модель, описывающую зависимость величины давления (вакуума) в массажном колоколе в тактах массажа и разгрузки от свободного объема массажного кожуха, частоты работы пульсатора, а также диаметров входного патрубка силовой камеры и калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха. Анализ полученных данных показывает, что разработанная конструкция массажного устройства обеспечивает физиологически обоснованное воздействие на молочную железу нетелей за счет раздельного регулирования интенсивности пневматической и механической составляющих массажа. В качестве рационального значения для диаметра калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, может быть рекомендован регулируемый интервал в пределах 3,5-4,5 мм.
Ключевые слова: нетели, молочная железа, комбинированный массаж, массажный кожух, математическая модель, вакуум, калиброванное отверстие.
Введение
В комплексе технологических процессов по выращиванию нетелей и приучению коров-первотелок к машинному доению важное место занимает массаж вымени животных в последние 2-3 месяца перед их отелом. Установлено, что такое воздействие на молочную железу животного в нетельном возрасте обеспечивает интенсификацию роста и развития его вымени, а также упрощает приучение коров-первотелок к доильному аппарату. При этом многочисленными исследованиями доказано, что наилучших результатов позволяют достичь устройства для массажа вымени нетелей двухкамерного типа, реализующие комбинированный (пневмомеханический) массаж. При таком массаже его пневматическая составляющая положительно влияет на физиологические свойства молокоотдачи и приучаемость коров-первотелок к машинному доению, в то время как механический массаж вымени нетелей оказывает существенное влияние на рост и развитие молочной железы животных [1-4, 8].
Комбинированный массаж осуществляется, как правило, с помощью аппаратов, состоящих из массажного кожуха и рабочего органа. В конструктивном плане такие аппараты классифицируется как однокамерные с пассивным и двухкамерные с активным рабочим органом [5].
Основными характеристиками устройств для комбинированного массажа вымени нетелей двухкамерного типа являются величина, амплитуда и скорость изменения давления в массажном колоколе, а также связанные с ними функционально параметры активного рабочего органа. В связи с
этим одной из основных задач экспериментальных исследований таких устройств является уточнение роли каждого из перечисленных факторов и их взаимного влияния на рабочий процесс устройства в целом.
Объект, цель и задачи исследования
Объект исследования - устройство для комбинированного массажа вымени нетелей двухкамерного типа, цель исследования - обоснование рациональных параметров устройства для массажа вымени нетелей двухкамерного типа.
Задачи исследования - на основе экспериментальных данных получить математическую модель устройства для комбинированного массажа вымени нетелей двухкамерного типа, позволяющую с необходимой точностью прогнозировать рабочий процесс аппарата в зависимости от его рабочих параметров.
Рассмотрим устройство для подготовки нетелей к лактации двухкамерного типа, представляющее собой массажный кожух 1 (рис. 1) с уплот-нительным элементом 2, в нижней части которого расположена силовая пневмокамера 3 с активным рабочим органом. Рабочий орган выполнен в виде массажного элемента 5, соединенного полым штоком 4 с золотниковым распределителем 6. Распределитель изготовлен в виде корпуса, в котором перемещается фигурный поршень 15, он снабжен отверстием 11 и двумя регулировочными винтами 12.
Массажный кожух 1 соединяется с силовой пневмокамерой 3 посредством двух калиброванных отверстий 14.
Массажное устройство работает следующим
© Курочкин А. А., 2017г.
образом. Пульсатор 8, соединенный с вакуумпроводом, обеспечивает пониженное давление в распределителе 6, в результате чего фигурный поршень 15 перемещается в крайнее верхнее положение, и воздух с помощью вакуум-провода 7 и патрубка 9 откачивается из пневмокамеры 3.
1 - массажный кожух; 2 - уплотнительный элемент; 3 - пневмокамера; 4 - полый шток; 5 - массажный элемент; 6 - распределитель; 7 - вакуум-провод; 8 - пульсатор; 9, 10 - патрубки; 11 - отверстие;
12, 13 - регулировочные винты; 14 - калиброванные отверстия; 15 - поршень Рис. 1 - Схема устройства для массажа вымени животных двухкамерного типа
Под действием пониженного давления пневмо-камера деформируется, активный рабочий орган массажного устройства перемещается вверх и массажный элемент 5 осуществляет механическое воздействие на молочную железу животного.
Из распределителя 6 за счет отверстия 11, патрубка 10 и полого штока 4 в полости массажного элемента 5 создается атмосферное давление, которое действует на соответствующий участок молочной железы животного и обеспечивает для него восстановление нормального кровообращения. Одновременно за счет калиброванных отверстий 14 в кожухе 1 создается пониженное в сравнении с атмосферным давление, что обеспечивает такт массажа, при котором пневматическому воздействию подвергается участок вымени, ограниченный массажным кожухом.
В следующем такте пульсатор 8 подает в распределитель 6 атмосферное давление, вследствие чего поршень 15 перемещается в крайнее нижнее положение. При этом полость массажного элемента 5 с помощью штока 4 и патрубка 10 соединяется с вакуум-проводом 7. Массажный элемент присасывается к соответствующему участку молочной железы животного и удерживает на ней массажный кожух во время такта разгрузки.
В такте разгрузки от распределителя 6 с помощью патрубка 9 в силовую камеру подается воздух, который за счет калиброванных отверстий 14 поступает в полость массажного кожуха. При этом в вымени животного, за исключением его части, взаимодействующей с массажным элементом, восстанавливается нормальное кровообращение. Пневмокамера восстанавливает свою первоначальную форму, и активный рабочий орган массажного устройства растягивает ткани молочной железы животного и дополнительно массирует ее.
В разработанном массажном устройстве винты 12 и 13 предназначены для регулирования величины давления в силовой пневмокамере и полости массажного элемента, а с помощью калиброванных отверстий 14 можно перераспределять
давление в силовой пневмокамере и в полости массажного кожуха.
Для увеличения интенсивности механического массажа открывается одно калиброванное отверстие 14. В этом случае величина вакуума в силовой пневмокамере будет больше, чем в колоколе и, следовательно, интенсивность механического массажа будет максимальная, а воздействие пневматического массажа существенно снизится.
Для увеличения интенсивности пневматического воздействия на молочную железу животного открываются оба калиброванных отверстия 14. Это приведет к увеличению разрежения в массажном колоколе и снижению его в силовой пневмокаме-ре. Таким образом, интенсивность пневмомасса-жа возрастет, а интенсивность механического воздействия активного рабочего органа устройства на вымя животного уменьшится. Следует особо подчеркнуть, что на длительность тактов массажа и разгрузки эти регулировки практически не влияют, так как данные параметры массажного устройства задаются работой пульсатора.
Отличительной чертой данной конструкции массажного устройства является раздельное регулирование величины давления в массажном кожухе и активном рабочем органе (массажном элементе), что значительно расширяет его возможности и повышает безопасность применения [4].
Как следует из описания работы массажного устройства, при полностью вывернутом регулировочном винте 12 характер изменения давления в полости массажного элемента будет определяться рабочей характеристикой пульсатора. Путем заворачивания этого винта можно уменьшить эффективное сечение патрубка 10 и тем самым снизить вакуум в полости массажного элемента в такте разгрузки.
Винт 13 служит для таких же изменений в силовой пневмокамере 3.
Таким образом, регулировочные винты 12 и 13 служат для более тонкой настройки рабочего
процесса массажного устройства, а к параметрам, определяющим интенсивность и соотношение пневматической и механической составляющих комбинированного массажа, относятся диаметры входного патрубка силовой камеры и калиброванных отверстий 14, соединяющих силовую камеру с полостью массажного кожуха. Наряду с ними существенное значение на рабочий процесс массажного устройства будут оказывать свободный объем массажного колокола и частота работы пульсатора.
Методика проведения исследования
Методы исследования основаны на применении аппарата планирования и реализации активного эксперимента, а также обработки его результатов методами корреляционно-регрессионного анализа.
Математическая модель устройства для комбинированного массажа вымени нетелей двух-
гофакторного эксперимента с матрицей почти D-оптимального плана типа Вп для четырех изучаемых факторов. Реализация матрицы данного плана предполагает проведение 2п + п или 24 опыта.
На основании априорной информации и серии отсеивающих экспериментов в качестве управляемых факторов были выбраны следующие: V - свободный объем массажного кожуха, дм3; п
- частота работы пульсатора, пульсаций/мин; d1
- диаметр входного патрубка массажного кожуха, мм; d2 - диаметр калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, мм. Числовые значения и уровни варьирования этих факторов выбраны таким образом, чтобы охватить весь диапазон значений, характерный для реальных условий эксплуатации устройств для массажа вымени нетелей данного типа (табл.).
камерного типа получена путем проведения мно-
Таблица - Уровни и интервалы варьирования факторов
Наименование фактора Уровни варьирования фактора Интервалы варьирования фактора
нижний нулевой верхний
Свободный объем массажного кожуха, дм3 0,5 2,0 3,5 1,5
Частота работы пульсатора, пульсаций/мин 60,0 70,0 80,0 10,0
Диаметр входного патрубка силовой камеры, мм 2,0 4,0 6,0 2,0
Диаметр калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, мм 2,0 4,0 6,0 2,0
В качестве выходных параметров модели приняли следующие: Y1 - величина давления (вакуума) в массажном кожухе в такте массажа, (кПа); Y2 - величина давления в массажном кожухе в такте разгрузки (кПа).
Кодирование факторов, расчет коэффициентов регрессии, построчной дисперсии, дисперсии среднего значения и дисперсии коэффициентов регрессии осуществлялись по общепринятой методике. Однородность дисперсии оценивалась по критерию Кохрена, а адекватность полученных моделей - по критерию Фишера.
Порядок опытов рандомизировался, а повтор-ность экспериментов равна трем.
Реализация матрицы эксперимента проводилась с помощью специально разработанного стенда, состоящего из вакуум-провода, регулятора давления, манометра, искусственного вымени, массажного устройства, пульсатора, емкости с водой и кранов.
Емкость с водой позволяла имитировать изменение свободного объема массажного кожуха и включала в себя заливное отверстие с пробкой, а также мерную линейку.
Изменение диаметра входного патрубка силовой камеры массажного устройства осуществлялось с помощью трубки требуемого диаметра.
Диаметр калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, изменялся за счет открытия или закрытия двух отверстий диаметром 2 и 4 мм с помощью специальной заслонки.
Таким образом, с помощью экспериментального стенда можно было изменять все исследуемые параметры в заданных пределах. Регистрация выходных сигналов осуществлялась с помощью датчиков давления типа МДД и регистрирующе-запи-сывающей аппаратуры.
Результаты исследования Реализация эксперимента и обработка полученных результатов позволили получить уравнения второго порядка, описывающие зависимость величины давления (вакуума) в массажном кожухе в тактах массажа (У1) и разгрузки (У2) от свободного объема массажного кожуха, частоты работы пульсатора, а также диаметров входного патрубка силовой камеры и калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха:
У1 = -63,76 -1,09 • V -1,00 • V2 + 2,47 • п --0,02• п2 -5,89• <1Х + 0,69• < (1)
-4,24 • а2 + 0,79 • а22 + 0,05-V • п + +0,5-V • а1 + 0,42 • V • а 2 + 0,04п • а 2 У2 = 38,17-4,84•V + 0,3•V2 --0,07• п + 0,01 п2 -3,15• а1 + +0,17 • а2+1,72 • а2 - 0,63 • а22 + (2)
+0,02•V• п + 0,33•V• а -- 0,0ь п • + 0,69 •V • а2 --0,03 • п • а2 + 0,56 • • а2
Статистический анализ уравнений (1) = 0,97) и (2) = 0,98) показал, что они адекватно с вероятностью больше 95% описывают исследуемый объект.
Первичный анализ полученных зависимостей позволил выявить управляемые факторы в эксперименте, которые в наибольшей степени влияют на поведение модели.
К группе таких факторов для такта массажа можно отнести в первую очередь частоту, с которой работает пульсатор исследуемого устройства. Принимая во внимание коэффициент при данном параметре, а также коэффициент при его квадратичном значении, можно утверждать, что с увеличением частоты работы пульсатора вакуум в массажном колоколе увеличивается (абсолютное давление уменьшается). Это вероятнее всего связано с особенностью работы данной марки пульсатора и неполной завершенностью процессов наполнения воздухом полостей массажного устройства.
Учитывая одинаковые уровни и интервалы варьирования диаметров входного патрубка силовой камеры и калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, можно утверждать, что первый из перечисленных факторов оказывает более существенное влияние на полученную модель.
В такте разгрузки наиболее заметное влияние на выходной параметр модели оказывает свободный объем массажного кожуха, причем с его увеличением рабочий вакуум в массажном колоколе снижается.
Диаметр входного патрубка силовой камеры играет весьма существенную роль не только в такте массажа рабочего цикла массажного устройства, но и во время такта разгрузки. Причем во втором случае он уверенно занимает одно из первых мест по значимости для анализируемого выходного параметра. С увеличением диаметра входного патрубка силовой камеры величина вакуума в массажном колоколе заметно снижается.
Определенное влияние на величину вакуума в такте разгрузки оказывает и диаметр калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха. При этом важно отметить весьма противоречивую роль этого параметра для различных тактов рабочего цикла массажного колокола. Так, для нормального восстановления кровообращения в тканях вымени животного при такте разгрузки в массажном колоколе необходимо обеспечить величину вакуума в интервале 5,0-7,5 кПа. С этой целью указанный диаметр должен быть не больше 3,0 мм, что вступает в очевидное противоречие с требованием к величине данного диаметра в такте массажа.
Более детальный анализ полученных уравнений позволяет сделать ряд важных в практическом плане выводов. Примем, что свободный объем массажного кожуха не превышает 2дм3, диаметр входного патрубка силовой камеры равен 2 мм, а частота работы пульсатора соответствует паспортным данным доильного аппарата АДУ-1 (67 пульсаций в минуту). Подставив эти данные
в уравнение (1) и (2), получим зависимость величины давления (вакуума) в кожухе массажного устройства двухкамерного типа в тактах массажа и разгрузки от диаметра калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха:
У1 = 0,79 • ^ -0,72• + 3,95 (3)
У 2 = -0,63 •,
-3,33 • + 2,35 (4)
В графическом виде уравнения (3) и (4) приведены на рисунке 2. Следует отметить, что полученные зависимости справедливы при условии 6^2>11мм.
& .1
А /
1 \ /
/
У
г^-Т.. ?
■Л
Рис. 2 - Зависимость величины вакуума в массажном кожухе в тактах массажа (1) и разгрузки (2) от диаметра калиброванного отверстия (при V = 2дм3; п = 67 пульсаций/мин; d1 = 4 мм)
Анализ графиков показывает, что для первого этапа подготовки нетелей к лактации диаметр калиброванного отверстия, соединяющего силовую камеру с полостью массажного кожуха, может быть принят равным 4,5 мм. Тогда расчетная величина вакуума в тактах массажа и разгрузки будет равна соответственно 16,5 и 4,5 кПа.
На втором этапе подготовки нетелей, когда желательно снизить вакуумную нагрузку на молочную железу животного, диаметр калиброванного отверстия может быть равен 3,5 мм, что позволит снизить вакуум в тактах массажа и разгрузки соответственно до 11 и 6 кПа.
Что касается изменения вакуума в массажном элементе (присоске), то он в первую очередь зависит от частоты работы пульсатора и при ее паспортном значении составляет соответственно в тактах массажа и разгрузки 1,0 и 38, 0 кПа. С помощью регулировочного винта 12 (рис. 1) верхнее значение вакуума в массажном элементе можно снизить примерно в 1,5-2,0 раза. При этом давление воздуха в массажном элементе в такте массажа будет близко к атмосферному.
Заключение Полученные теоретические зависимости позволяют с необходимой точностью прогнозировать влияние отдельных значимых технических и технологических параметров на рабочий процесс устройства для массажа вымени нетелей двухкамерного типа.
Физиологически обоснованное воздействие на
подготовки нетелей к лактации за счет совершен-молочную железу нетелей может быть реализова- ПС|И|СИ 14 ,|амач»т °а шк1'шсп
33 ствования процессов и средств механизации: ав-
но а п°м°щью двухк£3ме ртого южного устрой- ТОреф,. дИс..„д-ра. техн. наДк: 05.20.01 / К?рочкин
ртва, в котором имеетси ^ож^с^ редмыю го дн^т^л идй Алх^Ххвич. СПбу 19933. - °2 с .
регулировании интенсивности пневматической и с „ . . .
^ 3 ^ 5. Курочкин, А.А. Анализ конструктивно-техно-
механической составляющих массажа. .
n ^ логических схем устройств дли массажа вымени
В качестве рационального значении дли диа- - , л л w тл
„.^^ .^„..^гХ.г,....^ нетелей / А.А. Курочкин // Инновационнаи техника
метра калиброванного отверстии, соединиющего и технологии - 2016 - № 1- С 29-34
^ш^.о камреу с полостью жипмжкицр*, 6. Курочкин, А.А. Мате матическое моделирова-может быть рекомендован регулируемый интер- . «г
^ ние пневмосистемы устройств дли массажа выме-вал в пределах 3,5-4,5 мм. . 3 ^ /ЛЛ1г п
А ни нетелей двухкамерного типа / А.А. Курочкин //
Список литературы ... 3 ^ о^-ю м„
„ . f yf Инновационнаи техника и технологии.- 2016.- №
1. Агрегат дли пневмомассажа вымени нете- 2- С 2533
лей АПМ-1-Ф: паспорт УПВН. ОО. ОООПС. - Про- 2. .У 25-33. . . ..
¡- ^ „ ^ 7. Курочкин, А.А. Моделирование пневмоси-
изводственное объединение «Кургансельмаш», ^
1986 - 34 с стемы устройств дли массажа вымени нетелей
2 . Жужз С В Механиззция процесса массажа однокамерного типа /А А. Кур^н Д И. фролов
2. Жуж0, с.в. Механизации процесса массажа //Известии Самарской ГСХА. Самара, 2016. - № вымени нетелей в условиих современных ком- 4- с 36-43
плексов: автореф. дис— канд. техн. наук: 05.20.01/ . 8 у С)В Разработка и теоретическое обо-
Жужа Сергей Васильевич.- М., 1984.- 18 с. 8. Ужик, СВ. Разработка и теоретическое oбo
о „ гп п - снование технологий и технических средств дли
3. Котенджи, Г.П. Подготовка нетелей к лак- ^
„-п ,, . . „ „п молочного скотоводства: дис....д-ра. техн. наук:
тации /Г.П. КoтенДжи, А.А. Курочкин //Доклады 0520 01 / Ужик Сксана ^Mi/ii^o^a - Белго-ВАСХНИЛ. - 1987. - №4. - С. 32-34. m^im - з88 С Владимировна. Белго
4. Курочкин, А.А. Повышение эффективности р д, . .
EXPERIMENTAL STUDY OF THE DEVICE TO MASSAGE THE UDDER OF HEIFERS
TWO-CHAMBER TYPE
Kurochkin Anatoliy A., Doctor technical sciences, the professor chair «Food productions», Penza State Technological University, Penza, anatolii_ [email protected]
One of the important directions in the improvement of the mechanization of training heifers to lactation is the development of devices for combined (pneumatic and mechanical) effects on the mammary gland of animals. Such effects, achieved through massage devices dual-chamber type allows you to eventually obtain a synergistic effect in improving animal productivity through better development of their mammary gland and reduce the risk of disease mastitis fresh cows in the initial period of the use of milking machines. Experimental studies of the massaging device of this type is made using a specially designed laboratory stand. Implementation of the experiment with a matrix of almost D - optimal plan of type Bn and the statistical processing of the results allowed to obtain a mathematical model describing the dependence of the pressure (vacuum) in the massage in the bell strokes of massage and the unloading from the free volume massage of the casing, the frequency of the pulsator, and the diameters of the inlet of the power chamber and the calibrated hole, which connects the power chamber with the cavity of the casing massage. Analysis of the data shows that the developed design of the massage device provides a physiologically reasonable impact on the mammary gland of heifers at the expense of individual control over the intensity of pneumatic and mechanical components of massage. As a reasonable value for the diameter of the calibrated hole, which connects the power chamber with the cavity of the casing and massage may be recommended adjustable interval in the range of 3,5-4,5 mm.
Key words: eifers, mammary gland, combined massage, massage cover, a mathematical model, vacuum, a calibrated orifice.
Literatura
1. Agregatdlyapnevmomassazha vymeninetelejAPM-1-F:pasportUPVN. OO. OOOPS. -Proizvodstvennoe ob"edinenie «Kurgansel'mash», 1986. - 34 s.
2. ZHuzha, S.V Mekhanizaciya processa massazha vymeni netelej v usloviyah sovremennyh kompleksov: avtoref. dis....kand. tekhn. nauk: 05.20.01/ZHuzha Sergej Vasil'evich.-M., 1984.- 18 s.
3. Kotendzhi, G.P. Podgotovka netelej k laktacii /G.P. Kotendzhi, A.A. Kurochkin //Doklady VASKHNIL. -1987. - №4. - S. 32-34.
4. Kurochkin, A.A. Povyshenie ehffektivnosti podgotovki netelej k laktacii za schet sovershenstvovaniya processov i sredstv mekhanizacii: avtoref. dis....d-ra. tekhn. nauk: 05.20.01 /Kurochkin Anatolij Alekseevich. SPb., 1993. - 42 s.
5. Kurochkin, A.A. Analiz konstruktivno-tekhnologicheskih skhem ustrojstv dlya massazha vymeni netelej / A.A. Kurochkin//Innovacionnaya tekhnika i tekhnologiya.- 2016.-№ 1.- S. 29-34.
6. Kurochkin, A.A. Matematicheskoe modelirovanie pnevmosistemy ustrojstv dlya massazha vymeni netelej dvuhkamernogo tipa/A.A. Kurochkin //Innovacionnaya tekhnika i tekhnologiya.- 2016.- № 2.- S. 25-33.
7. Kurochkin, A.A. Modelirovanie pnevmosistemy ustrojstv dlya massazha vymeni netelej odnokamernogo tipa /A.A. Kurochkin, D.I. Frolov//Izvestiya Samarskoj GSKHA. Samara, 2016. - № 4. - S. 36-43.
8. Uzhik, O.V. Razrabotka i teoreticheskoe obosnovanie tekhnologij i tekhnicheskih sredstv dlya molochnogo skotovodstva: dis....d-ra. tekhn. nauk: 05.20.01 /Uzhik Oksana Vladimirovna. - Belgorod, 2014. - 388 s.
