CC BY
25
УДК 637.116+637.115
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ПОЧЕТВЕРТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРОЦЕССОМ ДОЕНИЯ
Ю.А. Цой, член-корреспондент РАН, зав. отделом
В.В. Кирсанов, доктор технических наук, зав. лабораторией
А.И. Звлвнцов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Д.Ю. Павкин, аспирант
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье приведены методы и направления исследований процессов и физических закономерностей функционирования сложных биотехнических систем «человек-машина-животное» в условиях высокой вариабильности морфологических и лактогенетических признаков биологических объектов при машинном доении коров, рассмотрены условия физиологически безопасного процесса доения по отдельным четвертям вымени на основе моделируемой импульсной модуляции вакуумметрического давления, контроль состояния (в т.ч. патологического) отдельных долей вымени на основе биосенсорных датчиков и электрофизических и других методов, защита 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; нерешенной проблемой в процессе создания адаптивной доильной машины является синхронизация скорости молокоотдачи и скорости молоковыведения по отдельным четвертям вымени с последующим отключением выдоенных долей, что позволило бы исключить их «сухое» доение и, как следствие, снизить заболевание коров маститом. Предложена структурная схема адаптивного доильного аппарата и экспериментальный образец автоматизированного переносного доильного аппарата для установок с линейным молокопроводом с автоматическим управлением процесса доения, учетом и индикацией индивидуальных надоев молока, в качестве дополнительных опций применяются устройства ввода номера животного, накопления, съема и передачи информации в компьютер. Ключевые слова: биотехническая система, адаптивный доильный аппарат, почетвертное доение, схема.
Введение. В данной области науки проводятся работы в ВИЭСХ (Цой Ю.А., Кирсанов В.В., Зеленцов А.И., Любимов В.Е.) [2,3], в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (Иванов Ю.Г.), в Оренбургском ГАУ (Кар-ташов Л.П., Соловьев С.А.) [1], Белгородской ГСХА (Ужик В.Ф.) [6]. В публикациях 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 взаимодействия испол-
нительных механизмов доильных аппаратов и вымени коровы. К недостаткам известных работ следует отнести то, что в основе предлагаемых моделей лежат допущения о равномерности выдаивания отдельных четвертей, а предлагаемые алгоритмы управления строятся исключительно на интегральном показателе - скорости молоковыведения, что не полностью соответствует сложности рассматриваемой проблемы.
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 вариабильности 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, стрессоустой-чивости, изменения электропроводности молока вследствие заболевания маститом, включающих оптимизацию режимов механо-термоэлектростимуляции вымени, почетвер-тное управление скоростью молокоотдачи на основе моделируемой импульсной модуляции вакуумметрического давления, контроль пред-, в процессе- и последоильного состояния отдельных долей вымени на основе биосенсорных датчиков и электрофизических и других методов, 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.
Экспериментальная база, ход исследований. Включает лабораторный стенд - искусственное вымя, прибор для записи параметров молоковыведения и вакуумного режима, экспериментальный образец доильного аппарата. 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].
Одной из основных проблем в процессе создания адаптивной доильной машины является синхронизация скорости молокоотда-чи и скорости молоковыведения по отдельным четвертям вымени 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 продуктивности вымени и его индекс - объективный показатель развития и функционального состояния долей вымени. Изучая эти и другие признаки, ученые отмечают неодновременность выдаивания отдельных долей вымени, а также продолжительность холостого доения первой опорожнившейся доли (Ф.Л. Гарька-вый, 1969; Г.П. Легошин с колл., 1971; В.В. Старков, 1968; Ж.С. Захарян, 1972), делая вывод о том, что продолжительное воздействие (более 1,5-2 мин.) доильного аппарата на выдоенную долю может способствовать возникновению у коров маститов [4].
Одной из первых эту проблему пыталась решить американская фирма «Перфекшн», выпускавшая доильные аппараты с отключа-телями выдоившихся сосков, расположенные на доильном ведре, которое подвешивается под брюхом коровы. В этом случае доильный стакан, упавший с соска, не падает в грязь. При доении 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 физиологически безопасного предела (33 кПа - «Дуовак-300» компании Де Лаваль) без снятия аппарата с вымени, при этом сохраняется опасность холостого доения, особенно в последнем варианте.
Лоигпа! оГ УШТ^Н №3(19)-2015
87
Более радикальное решение - это индивидуальное снятие доильных стаканов с вымени, реализованное в конструкции доильного аппарата фирмы ГМРиЬБЛ АО Е^ег-werda, Германия, под названием «Мульти-лактор», который не имеет коллектора, что позволяет подключать и отключать доильные стаканы независимо. Однако бесколлекторный вариант подвесного доильного аппарата сложно реализовать без специальной механической поддержки на линейных доильных установках, которые имеют в России широкое распространение.
Для этих целей акад. Кормановский Л.П. предлагает использовать специальную дугу, навешиваемую на корову и поддерживающую доильные стаканы при их надевании и отключении. Также известен доильный аппарат с изменяющейся интенсивностью выдаивания передних и задних долей вымени, созданный в Латвийской СХА на кафедре механизации животноводства Гриневичем И.И. и Палкиным Г.Г. [5].
Более сложной является проблема синхронизации скоростей молокоотдачи и мо-локовыведения, решение которой наиболее целесообразно с помощью специальных сенсоров, определяющих степень наполнения молоком молочной цистерны, и соответствующего адаптивного формирования управляющего пульсирующего вакуума по отдельным четвертям вымени животных.
Результаты исследований. Структурная схема предлагаемого доильного аппарата может выглядеть следующим образом (рис. 1).
На основании исходных требований был разработан экспериментальный образец автоматизированного переносного доильного аппарата для установок с линейным молоко-проводом (рис. 2).
Автоматизированный доильный аппарат имеет два исполнения:
исполнение 01 с автоматическим управлением процесса доения, учетом и индикацией индивидуальных надоев молока;
исполнение 02 дополнительно включает устройство ввода номера животного, накопления, съема и передачи информации в компьютер.
Левый передний
Ж,
Правый задний
ш
115 1
Датчик предельного СОСТОЯНИЯ потока ( 50 г/мл) Датчик предельного СОСТОЯНИЯ потока С г/мл) Датчик предельного СОСТОЯНИЯ потока (. г/мл] датчик предельного состояния потока { 50 г/мл)
_1 Отклочие/к пл_4( От ключ а тс-ль ПЛ_)(
Рис. 1. Схема доильного аппарата с почетвертным
управлением
2 3 5
Рис. 2. Общий вид переносного автоматизированного доильного аппарата для линейных установок:
1 - адаптивная подвесная часть с дифференцированной нагрузкой по передним и задним долям, 2 - электронный пульсатор попарного действия с регулируемыми параметрами, 3 - счетчик-датчик измерения количества и потока молока с отключением доильных стаканов, 4 - пневмоцилиндр автосъема
стаканов с вымени коровы, 5 - электронный блок управления процессом доения, 6 - комплект молоко-
вакуумных шлангов и устройство подключения к молокопроводу с разъемом для электропитания 24 В
Счетчик-датчик обеспечивает дискретное непрерывное измерение потока молока, его суммирование за все время доения на индикаторе с отображением скорости молокоот-дачи и удоя, отключение доильных стаканов от вакуума в конце доения. Электронный блок управления процессом доения обеспечивает режим стимуляции молокоотдачи в начале и конце доения повышенной частотой пульсации (120 пульсов/мин. и соотношением тактов 50:50), режим основного доения и режим додаивания с отключением стаканов и последующим их автосъемом.
Область применения результатов. Автоматизированные линейные доильные установки с молокопроводом на 100-200 коров, автоматизированные доильные установки «Тандем», «Елочка».
Выводы. Впервые в отечественной практике 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. 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).
Литература:
1. Соловьев С.А., Карташов Л.П. Исполнительные механизмы «Человек-машина-животное». Екатеринбург, 2001.
2. Направления совершенствования исполнительных механизмов доильных установок / Кирсанов В.В. и др. // Достижения науки и техники АПК. 2010 №1. С. 64.
3. Функционально-стоимостной анализ роботизированных систем и выбор альтернативных вариантов добровольного доения коров / Цой Ю.А. и др. // Техника и оборудование для села. 2014. №8. С. 33-36.
4. Гарькавый Ф.Л. Селекция коров и машинное доение. М., 1974. 21 с.
5. Гриневич И.И. Доильный аппарат с укороченным тактом сосания передних долей вымени // Проблемы интенсификации производства молока. Минск, 1991.
6. Ужик В.Ф. Исследование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с управляемым режимом доения // Вестник ВНИИМЖ. 2008. Т. 18.
Literatura:
1. Solov'ev S.A., Kartashov L.P. Ispolnitel'nye mekhaniz-my «CHelovek-mashina-zhivotnoe». Ekaterinburg, 2001.
2. Napravleniya sovershenstvovaniya ispolnitel'nyh mek-hanizmov doil'nyh ustanovok / Kirsanov V.V. I dr. // Dos-tizheniya nauki i tekhniki APK. 2010 №1. S. 64.
3. Funkcional'no-stoimostnoj analiz robotizirovannyh si-stem i vybor al'ternativnyh variantov dobrovol'nogo doe-niya korov / Coj YU.A. I dr. // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2014. №8. S. 33-36.
4. Gar'kavyj F.L. Selekciya korov i mashinnoe doenie. M., 1974. 21 s.
5. Grinevich I.I. Doil'nyj apparat s ukorochennym taktom sosaniya perednih dolej vymeni // Problemy intensifikacii proizvodstva moloka. Minsk, 1991.
6. Uzhik V.F. Issledovanie konstruktivno-rezhimnyh para-metrov doil'nogo ap-parata s upravlyaemym rezhimom doeniya // Vestnik VNIIMZH. 2008. T. 18.
THE BUILDING CONCEPT AND MILKING MACHINE TECHNICAL-TECHNOLOGICAL SOLUTION WITH THE MILKING
PROCESS OF UDDER ON QUARTERS CONTROL Yu.A. Tsoi, RAN corresponding member, department head V.V. Kirsanov, d-r of tech. sciences, laboratory chief A.I. Zelentsov, candidate of tech. sciences, the leader research worker D.Yu. Pavkin, post-graduate student FGBNY VIESH
Abstract. The article presents the methods and research directions of processes and physical regularities of "man-machine-animal" complex biotechnological systems functioning in biological objects high morphological variability and lactogenetic traits' conditions during cows machine milking, the terms of physiologically safe udder individual quarters milking on the simulated modulation basis of vacuum pressure are considered, control of condition (including pathological) of individual udder quarters on the biosensors and electro physical and other methods' basis, the udder teats protection from bacterial infections by antimicrobial nanoagent included in the teats rubber's formula receipt, two-phase milk-air flows with continuity breaks' monitoring and control, excluding return currents back to the udder, the infection cross-transmission from healthy to sick quarters, the exact productivity knowledge and cows' safe full milking; an unsolved problem in the adaptive milking machine creating's process is the milk flow speed's synchronizing and one of udder quarters separate sharing, with subsequent disconnection of milked quarters, that would help to exclude "dry" milking and, as a result, to reduce the cow mastitis disease. The adaptive milking machine's structural scheme is proposed and the experimental sample of automated portable milking machine for linear milk pipes with the milking process installations' automatic control, taking into account individual milk yields' record and indication, as additional options are applied the animal number device input, accumulation, retrieval and information's transmission in the computer.
Keywords: biotechnical system, adaptive milking machine, udder on-quarters milking, milking management, scheme.
Journal of VNIIMZH №3(19)-2015
89
