CC BY
3
УДК 636.3+512.581 DOI 10.51794/27132064-2021-1-31
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ
ВЫДАИВАНИЯ КОРОВ В СТАДЕ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Р.А. Мамедова, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: femaks@bk.ru
Аннотация. Рассмотрена модель процесса функционирования доильных установок. Определена математическая зависимость производительности доильной установки от продолжительности выдаивания коров в стаде. Проведен анализ пропускной способности зарубежных доильных установок при беспривязном содержании стада. Сформулированы факторы и приведены математические расчеты, характеризующие пропускную способность станочных доильных установок в зависимости от модели подобранного стада. Изменяя характеристики распределения этого признака, можно определить влияние подобранности стада на продолжительность доения всего стада или на пропускную способность сравниваемых доильных установок. Приведен анализ впуска и выпуска животных применительно к наиболее распространенной двусторонней схеме расположения индивидуальных доильных станков на примере установки «Тандем». В результате обработки статистических данных установлено, что логарифмически-нормальный закон распределения, предложенный для описания изучаемого признака - продолжительности доения коров, не противоречит экспериментальным данным с вероятностью 0,4-0,6. Уровень значимости предлагаемой модели значительно выше уровня значимости нормального закона распределения. Так как для всех вариантов «модельных» стад % = const, то в качестве расчетной величины, характеризующей подобранность стада по продолжительности доения, целесообразно взять величину Х 0,95. Варьируя значение Х 0,95, можно получить различные варианты «модельных» стад.
Ключевые слова: цикл, модель стада, закон распределения, пропускная способность, доильный станок.
Введение. При оценке технических характеристик какого-либо оборудования в числе основных приводят такой показатель, как производительность установки, т. е. объем выполняемой работы в единицу времени. Применительно к доильным установкам - это количество коров, выдаиваемых в час.
Известно, что производительность доильных установок зависит от продолжительности выдаивания коров в стаде и квалификации дояра. Эти данные заранее неизвестны. В ряде ранее выполненных работ рассматривались вопросы моделирования влияния продолжительности выдаивания коров в стаде на производительность доильных установок. По своей значимости они носили теоретический, познавательный характер и, безусловно, способствовали более глубокому пониманию процессов функционирования доильных установок [13, 14]. Высокий уровень автоматизации и применение информационных технологий на современных молочных фермах,
включая формирование баз данных о каждом животном, в том числе и о продолжительности выдаивания, переводит вопросы и результаты моделирования в сферу практического использования для решения задач прогнозирования и оперативного управления работами на ферме [15]. Особую актуальность эти вопросы приобретают на так называемых «ме-гафермах», где с целью повышения эффективности использования дорогостоящего доильного оборудования суммарная продолжительность доения составляет 16-20 часов в сутки. По этой причине точность определения производительности доильной установки должна быть достаточно высокой [16].
Материалы и методы. Процесс функционирования станочных доильных установок представляет собой совокупность циклически повторяющихся операций: впуск животного в индивидуальной или групповой станок («холостой ход»), выполнение операций по выдаиванию животного в станке («рабочий ход»),
выпуск животного из доильного станка («холостой ход»).
Порядок очередности циклов с различной продолжительностью не влияет существенно на суммарную продолжительность доения стада. Поэтому, учитывая конечное счетное значение п, представляется более целесообразным использовать в качестве расчетных величин полные или частичные суммы Ъ/г-. Подсчет последних при наличии современных систем компьютеризированного управления стадом, предусматривающих функцию регистрации продолжительности выдаивания каждой коровы, не представляет трудностей.
В доильных залах используют несколько типов станочных доильных установок: с индивидуальными доильными станками «Тандем» и параллельно-проходными станками, проходные с групповыми доильными станками «Елочка», «Параллель» («бок о бок») и конвейерными доильными станками.
Принципиальные различия исследуемых типов станочных доильных установок состоят в принятой организации процесса движения и фиксации животных в доильных станках и организации труда операторов. В связи с этим каждому типу доильной установки будет соответствовать своя модель процесса ее функционирования. Продолжительность цикла доильного станка (индиви-
дуального или группового) включает в себя время, затрачиваемое на впуск и выпуск животного, подготовительно-заключительные операции и доение одного или группы животных.
Практика показывает: различие в суммарной продолжительности работы отдельных станков за дойку обычно мало по сравнению с продолжительностью всей дойки. Суммарные продолжительности работы каждой из сторон доильной установки также несущественно отличаются друг от друга. Опыт показывает, что значение времени подготовительно-заключительных операций зависит от удаленности доильного станка от преддоиль-ной площадки и последовательности выполнения операций по впуску и выпуску животных. В связи с этим использование существующих рекомендаций по средним значениям может существенно повлиять на точность расчетов, а также затруднит объективную оценку возможных вариантов доильных установок. В работах [9, 11, 12] рассмотрена модель перехода животного из станка для подготовки вымени в доильный станок.
Проанализируем впуск и выпуск животных применительно к наиболее распространенной двусторонней схеме расположения индивидуальных доильных станков на примере установки «Тандем» (рис. 1).
Рис. 1. Схема и циклограмма впуска и выпуска коров в доильных установках типа «Тандем»:
1о - расстояние от преддоильной площадки до 1-го станка; 1пер/ - расстояние от 1-го до /-го станка; 1ст - длина станка; и и /5 - затраты времени на открытие и закрытие двери доильного станка соответственно; /2 и - затраты времени соответственно на открытие и закрытие двери из преддоильной площадки; /3 и /6 - затраты времени соответственно на открытие и закрытие двери в доильный станок; /вх и /вых - продолжительность соответственно входа и выхода коровы в доильный станок; /пер/ - продолжительность перемещения коровы из преддоильной площадки до /-го станка; /пр/ - продолжительность простоя/-го станка в ожидании подхода коровы из преддоильной площадки.
В доильных установках «Тандем» с боковым входом и выходом коровы обслуживание доильного станка производится в следующей последовательности: открывают дверь пред-
доильной площадки и впускают корову; открывают дверь в доильный станок и впускают корову; закрывают дверь преддоильной площадки; закрывают выходную дверь доиль-
ного станка после выхода выдоившейся коровы; впускают следующую корову в доильный станок и закрывают дверь доильного станка; открывают выходную дверь доильного станка и выпускают выдоившуюся корову.
Из циклограммы (рис. 1) занятость 7-го станка при впуске и выпуске 1-й коровы будет равна:
г . + г . = и + г + и + г . + г + и т
вып] вп] 1 вых 5 пр] вх 6 . V1)
Примем следующие допущения: средняя скорость перемещения коровы V; затраты времени на открывание и закрывание дверей доильного станка и преддоильной площадки постоянны и равны между собой, т. е. /1 = /2 = = /з = /З = /З = /З = д = еотг.
* 0 . (J -1)* £
V
(2)
г . + г . = гА + г + — +
вып] вп] дв вх у
Как видно из формулы (2), затраты времени на впуск коровы в доильный станок и выпуск из него изменяются линейно в зависимости от удаления станка от преддоильной площадки. Тогда средняя часовая пропускная способность данной установки будет равна:
Чт ='
60 nKT
(3)
nAt' + VZ At" +V t
тпз ^^ j тпз ^^ 1
где г - время, мин.
При заданном уровне трудоемкости подготовительно-заключительных операций Мшпз и известном количестве операторов М, одновременно обслуживающих одну доильную установку типа «Тандем» или «Елочка», пропускная способность последних должна удовлетворять следующему условию:
Чт <
60 М ■ C
At.
Че <
60 М„ ■ C
At.
(4)
где С - предельный коэффициент загрузки оператора.
Высокая загруженность оператора может привести к простоям доильного станка или к ошибкам в действиях оператора. Из формул (3) и (4) следует, что пропускная способность доильной установки и коэффициент загрузки оператора являются величинами переменными, зависящими от суммарной продолжительности доения коров в стаде.
Продолжительность одного цикла Т в наиболее распространенных доильных установках «Елочка» зависит от затрат времени на подготовительно-заключительные операции и продолжительности доения коровы, которую доят последней. В связи с этим в литературе имелись даже рекомендации - самую тугодойную корову начинать доить первой. Однако практически осуществить подобную рекомендацию весьма затруднительно. Поэтому при анализе работы установок «Елочка» целесообразно рассматривать наиболее неблагоприятный для практики случай, когда самую тугодойную корову доят последней.
Часовую пропускную способность доильной установки «Елочка» можно определить по следующей формуле:
, (5)
120 n
4п nlKl п
ZAt + Z 'mx i +Г-1
e 1 e
где t - время, мин.
Пропускная способность, рассчитанная по формуле (5), должна удовлетворять условию (4). Представляем условие (4) для доильной установки «Елочка» в виде:
Че
<
60C
М At
q0*.
(6)
*пз
Полученное соотношение представляет собой максимальное значение производительности в расчете на одного оператора при заданном уровне трудоемкости подготовительно-заключительных операций. Для определения времени на впуск и выпуск в расчете на одну корову воспользуемся опубликованными рекомендациями [15, 16]. В этих работах на основании аналитических исследован и й и обработки статистических данных предложена следующая модель впуска для доильной установки с групповыми станками:
* К
^At*sn = + 2,25К„ , с.
V
(7)
Время впуска коров на одну сторону доильной площадки типа «Елочка» будет равно времени выпуска этих же коров, исходя из тех соображений, что скорость перемещения животных и путь их движения на впуске и выпуске одинаковы. К установкам с групповыми станками относятся доильные уста-
новки «Параллель» («бок о бок»), получившие широкое распространение на молочных фермах в последние годы. Ранее они применялись в установках для доения овец и коз. Эффективность установок подобного типа по сравнению с установками типа «Елочка» достигалась за счет сокращения длины переходов при обслуживании животных и группового выпуска животных. С другой стороны, ухудшались условия для подключения доильных стаканов. Модели, описывающие процесс на установках подобного типа и установках типа «Елочка», принципиально не различаются. Различие заключается лишь в некоторых деталях при впуске и выпуске животных.
При сравнительной оценке и выборе типа и размера доильной установки для получения сопоставимых данных необходимо исходить из условия, что на сравниваемых установках «доится» стадо с одними и теми же характеристиками распределения продолжительности доения коров. Изменяя характеристики распределения этого признака, можно определить влияние подобранности стада на продолжительность доения всего стада или на пропускную способность сравниваемых доильных установок.
Обследование реальных стад и обработка статистических материалов показали, что более точно отражает физическую сущность изучаемой продолжительности выдаивания коров в стаде логарифмически-нормальный
закон распределения. На рисунке 2 представлены теоретические и экспериментальные кривые распределения продолжительности доения коров. Проверку адекватности предложенной статистической модели распределения продолжительности доения осуществляли по критерию Х2 [9].
В таблицах 1 и 2 приведены данные по производительности доильных установок с учетом привязного и беспривязного содержания животных для отечественных и зарубежных доильных установок. Анализ таблицы 2 показывает, что при размере поголовья стада более 800 гол. наиболее оптимальным является использование доильных установок типа "Карусель" на 40 мест, "Параллель" 2х20 и "Елочка" 2х20 с быстрым выходом.
Рис. 2. Кривые распределения продолжительности выдаивания коров
Таблица 1. Пропускная способность отечественных доильных установок
Показатели Доение в стойлах Доение в специальных помещениях
АД-100Б (в ведра) АДМ-8А-200 (в моло-копровод) Передвижные УДС-3Б стационарные
УДТ-8 «Тандем» УДА-8 «Тандем-автомат» УДА-16 «Елочка-автомат» УДА-100 «Автомат»
Обслуживаемое поголовье, гол. 100 200 200 200-400 400 600 300-600
Производительность установки, гол/ч 70 112 75 60-70 70 70-75 100-120
Число операторов 3 4 2 1 1 1 1
Производительность оператора, гол/ч 23 28 37 65 70 75 110
Число доильных аппаратов 9 16 8 8 8 16 16
Число вакуумных установок 1 2 2 2 2 2 2
Установленная мощность, кВт 4,0 8,75 5,5 20,0 19,5 22,2 22,8
Таблица 2. Ориентировочная производительность
зарубежных доильных установок по данным __ фирмы Bauer [10] _
Тип Коли- Обслужива- Производи- Размер
уста- чество ющий пер- тельность, стада (ори-
новки стойл сонал, чел. гол/ч ент.), гол.
Доильный зал типа "Елочка"
2х3 6 1 30 90
2х4 8 1 42 120
2х5 10 1 50 200
2х6 12 1 60 250
2х8 16 1 70 350
2х10 20 2 100 400
2х12 24 2 110 500
Доильный зал типа "Елочка" с быстрым выходом
2х10 20 2 106 400
2х12 24 2 120 500
2х14 28 2 130 600
2х16 32 2 150 800
2х20 40 2 190 1000
Доильный зал типа "Тандем"
1х3 3 1 25 80
2х2 4 1 28 100
2х3 6 1 50 150
2х4 8 2 60 200
2х5 10 2 70 250
Доильный зал типа "Карусель ff
14 14 2 100 400
24 24 2 130 600
40 40 2 200 1000
Доильный зал типа "Параллель"
2х10 20 2 106 400
2х12 24 2 120 500
2х14 28 2 130 600
2х16 32 2 155 800
2х20 40 2 200 1000
Доильный зал типа "Тригон"
6х5х4 15 2 84 250
6х6х4 16 2 90 300
7х7х5 19 2 106 400
8х7х5 20 2 115 500
При среднем поголовье стада около 400 голов рационально использовать доильные установки типа "Елочка", "Параллель" или "Елочка" с быстрым выходом с количеством станков 2х10, где производительность данных установок будет равна 100-106 гол/ч. На малых фермах с поголовьем 100-200 голов в основном используются доильные установки типа "Елочка" с количеством станков 2х4 или 2х6 с производительностью 40-60 гол/ч.
Результаты исследования. В результате обработки статистических данных установ-
лено, что логарифмически-нормальный закон распределения, предложенный для описания изучаемого признака - продолжительности доения коров, не противоречит экспериментальным данным с вероятностью 0,4-0,6. Уровень значимости предлагаемой модели значительно выше уровня значимости нормального закона распределения. Следует отметить, что логарифмически-нормальное распределение широко используют для описания биологических явлений и признаков, например, размеров организмов, объема, груди, частоты пульса, кровяного давления, урожая и т. д. [5, 12].
Центральное место в современной теории молоковыведения отводится рефлекторному освобождению окситоцина нейрогипофиза и последующих сократительных воздействиях этого гормона на миоэпителиальные мышцы, окружающие альвеолы и мелкие протоки [1, 2, 4, 7, 8]. Опыты показали, что необходимая для молоковыведения концентрация оксито-цина в крови поддерживается недолго, от 2 до 5 минут. В связи с этим считают, что корова должна выдаиваться в первые 2-3 минуты [2]. Вместе с тем в литературе приводятся опытные данные, согласно которым скорость мо-локоотдачи у отдельных животных может достигать в первые минуты после латентного периода 5-6 л/мин. В результате нашего обследования коров в агрофирме «Память Ильича» со среднегодовой продуктивностью животного не ниже 4500 л в год зафиксирована минимальная продолжительность - 54 с [9]. В опытах И.Г. Велитока [2] зафиксирована минимальная продолжительность доения 43 с при средней продолжительности 1 мин. 55 с. Сопоставление вышеприведенных данных дает основание без большого ущерба принять минимальную продолжительность доения равной приближенно одной минуте, т. е. ~ 60 с.
Обсуждение и заключение. Так как для
всех вариантов «модельных» стад = const, то в качестве расчетной величины, характеризующей подобранность стада по продолжительности доения, целесообразно взять величину Х 0,95. Варьируя значение Х 0,95, можно получить различные варианты «модельных»
стад. Большинство исследователей [3, 6] учитывают вероятностный характер продолжительности выдаивания коров путем введения в расчетные формулы соответствующих параметров распределения.
Литература:
1. Вальдман Э.К. Физиология машинного доения коров. Л.: Колос, 1977. 192 с.
2. Велиток И.Г. Технология машинного доения. М.: Колос, 1975. 256 с.
3. Викторова И.Н. Уточненный расчет показателей доильных установок «Елочка» // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1979. № 5. С. 30-33.
4. Грачев И.И., Ланцев В.П. Физиология лактации сельскохозяйственных животных. М., 1974. 280 с.
5. Закс Л. Статистическое оценивание. М., 1976. 598 с.
6. Краснов И.Н., Назарова Е.В. Компьютерная модель расчета продолжительности доения коров на ферме // Вестник аграрной науки Дона. 2013. № 3. С. 10-22.
7. Куликов Л.В. Физиологические основы доения коров. М.: Россельхозиздат, 1969. 80 с.
8. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. М.: Мир, 1969. 396 с.
9. Цой Ю.А. Молочные линии животноводческих ферм и комплексов. М.: Колос, 1982. 222 с.
10. Bauer Project Development. URL: https:www.bauer-technics.com
11. Bickert W.G., Gerrish J.B. Semiautomatic milking in a polygon Parlor: a simulation. Michigan, 1970. 349 p.
12. Bickert W.G. Simulated milking rates in various semiautomatic milking parlors. Michigan, 1970. 353 p.
13. O'Brien B. Investigation of the labour and cow production efficiency of side-by-side milking systems // Jour-nal Animal & Grassland Research. 2015. № 6202. Р. 1-4.
14. Gonzalez-Mejia A. Metrics and methods for characterizing dairy farm intensification using farm survey data // Plos One. 2018. № 13(5). Р. e0195286.
15. Matthews C.A., Shaw J.M. The economy and efficiency of a milking machine // IOWA State University. 2017. Vol. 21, № 248. P. 1-24.
16. Tandem parlour milking systems. De Laval, 2018.
Literatura:
1. Val'dman E.K. Fiziologiya mashinnogo doeniya korov. L.: Kolos, 1977. 192 s.
2. Velitok I.G. Tekhnologiya mashinnogo doeniya. M.: Kolos, 1975. 256 s.
3. Viktorova I.N. Utochnennyj raschet pokazatelej doil'nyh ustanovok «Elochka» // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 1979. № 5. S. 30-33.
4. Grachev I.I., Lancev V.P. Fiziologiya laktacii sel'sko-hozyajstvennyh zhivotnyh. M., 1974. 280 s.
5. Zaks L. Statisticheskoe ocenivanie. M., 1976. 598 s.
6. Krasnov I.N., Nazarova E.V. Komp'yuternaya model' rascheta prodolzhitel'nosti doeniya korov na ferme // Ve-stnik agrarnoj nauki Dona. 2013. № 3. S. 10-22.
7. Kulikov L.V. Fiziologicheskie osnovy doeniya korov. M.: Rossel'hozizdat, 1969. 80 s.
8. Han G., SHapiro S. Statisticheskie modeli v inzhener-nyh zadachah. M.: Mir, 1969. 396 s.
9. Coj YU.A. Molochnye linii zhivotnovodcheskih ferm i kompleksov. M.: Kolos, 1982. 222 s.
10. Bauer Project Development. URL: https:www.bauer-technics.com
11. Bickert W.G., Gerrish J.B. Semiautomatic milking in a polygon Parlor: a simulation. Michigan, 1970. 349 p.
12. Bickert W.G. Simulated milking rates in various semiautomatic milking parlors. Michigan, 1970. 353 p.
13. O'Brien B. Investigation of the labour and cow production efficiency of side-by-side milking systems // Jour-nal Animal & Grassland Research. 2015. № 6202. P. 1-4.
14. Gonzalez-Mejia A. Metrics and methods for characterizing dairy farm intensification using farm survey data // Plos One. 2018. № 13(5). P. e0195286.
15. Matthews C.A., Shaw J.M. The economy and efficiency of a milking machine // IOWA State University. 2017. Vol. 21, № 248. P. 1-24.
16. Tandem parlour milking systems. De Laval, 2018.
MODELING OF THE COWS MILKING DURATION'S INFLUENCE IN THE HERD ON MILKING
MACHINES' PERFORMANCE R.A. Mamedova, candidate of technical sciences Federal scientific agroengineering center VIM
Abstract. The model of the milking machines functioning process is considered. The mathematical dependence of milking unit's performance on the cows milking duration in the herd is determined. The analysis of foreign milking machines throughput capacity at free tied herd maintenance is carried out. The factors are formulated and mathematical calculations characterizing the machine milking machines' throughput capacity in depending on the selec-ted herd's model are given. By this trait distribution characteristics changing, it is possible the effect of selected herd on all herd milking duration or on the compared milking units throughput to determine. The analysis of the animals' input-output in relation to the most common two-sided individual milking machines' arrangement on the "Tandem" unit example is given. As a result of statistical data processing, it was found that the logarithmic-and-normal law of distribution proposing for the studied feature describing - so as milking cows duration, it does not contradict the experimental data at a probability of 0,4-0,6. The proposed model's level of significance is greatly higher than the normal distribution's law significance level. Since for all of variants "model" herds % is = const, it is advisable the X 0,95 value to take as the calculated value characterizing the herd's similarity as to milking duration's term. By the 0,95X value varying, it is possible different variants of the "model" herds to obtain. Keywords: cycle, model of the herd, distribution law, the throughput capacity of milking machine.
