CC BY
3
УДК 338.436:636.2.034.003.13(470.325) DOI 10.51794/27132064-2021-3-10
ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО МАССАЖА ВЫМЕНИ НЕТЕЛЕЙ
A.А. Курочкин, доктор технических наук, профессор Д.И. Фролов, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» E-mail: anatolii_kuro@mail.ru
B.М. Зимняков, доктор экономических наук, профессор ФГБОУ ВО Пензенский государственный аграрный университет E-mail: zimnyakov@bk.ru
Аннотация. Одним из наиболее энергоемких и сложных в технологическом отношении процессов при производстве молока является машинное доение коров. Большое значение имеет повышение технического уровня оборудования для доения. Обоснована научная концепция единого подхода к разработке массажных устройств и доильных аппаратов в части пневмомеханического воздействия на молочную железу животных. Ее практическая реализация предполагает, что основная роль в выполнении технологически необходимых операций при массаже вымени животных отводится пониженному давлению (вакууму), в то время как механическая составляющая должна выполнять вспомогательную функцию. В предложенной конструктивно-технологической схеме устройства для комбинированного массажа вымени нетелей обосновано наличие независимого элемента, в котором изменение давления по отношению к массажному колоколу будет осуществляться по принципу противофаз. Такое техническое решение позволит повысить эффективность такта разгрузки и тем самым обеспечить полноценное восстановление кровообращения в вымени животного. На основе полученной диаграммы изменения давления в колоколе и массажном элементе (присоске) устройства проведен анализ рабочего процесса массажных устройств, работающих по предложенной схеме. Предлагаемая конструкция позволит устранить недостатки выпускавшегося ранее устройства для пневмомассажа вымени нетелей (УПВН) и обеспечит возможность регулировать параметры пневматического массажа для колокола и элемента соответственно в пределах 20-25 кПа и 40-48 кПа.
Ключевые слова: молочная железа, нетели, коровы-первотелки, вакуум, комбинированный массаж, массажное устройство, конструктивно-технологическая схема.
Введение. Развитие молочной отрасли является одним из приоритетных направлений государственной политики в сфере АПК. На внутреннем российском рынке сохраняется устойчивый рост производства товарного молока. Сокращение объемов импортных поставок, повышение спроса на молочную продукцию отечественного производства, рост потребности в сыром молоке со стороны отечественных молокоперерабатываю-щих организаций, сохранение инвестиционной активности в отрасли и запуск новых комплексов - все это способствовало формированию стабильно положительного тренда в сырьевом секторе. При этом в последние годы темпы роста производства товарного молока практически в два раза превышают среднегодовые, что повышает роль молочно-
го производства в обеспечении продовольственной безопасности страны [4, 6, 13].
Одним из наиболее энергоемких и сложных в технологическом отношении процессов при производстве молока является машинное доение коров. Подтверждением этого является тот факт, что для доения, например, 100 коров следует обеспечить в течение одних суток работу привода вакуумного насоса мощностью 3-4 кВт на протяжении 6-8 часов. Технологическая сложность машинного доения заключается в необходимости взаимодействия средств механизации процесса (доильного аппарата) с относительно постоянными рабочими параметрами с биологическим объектом, который в сравнительно короткий период времени существенно меняет свои требования к качеству обслужи-
вания. Например, в период приучения коров-первотелок к доильному аппарату, когда их организм еще не восстановился после физиологического стресса (отела), животные вынуждены адаптироваться к еще одному стрессу - технологическому.
Одним из вариантов решения данной проблемы является приучение животных к доильной аппаратуре в раннем периоде жизни и относительно более мягкому варианту ее воздействия на молочную железу. С этой целью за 2-3 месяца до отела нетелей готовят к будущей лактации с помощью специальных технических средств, обеспечивающих в нужный период более легкое приучение животных к доильному оборудованию, а также способствующих росту и развитию их молочной железы [11]. При этом, несмотря на многочисленные исследования, выполненные в данном направлении на протяжении последних 35-40 лет в части изыскания рациональных технологических и технических параметров устройств для массажа молочной железы нетелей, приемлемых для реального производства результатов еще не получено.
Анализ выполненных к этому времени работ указывает на актуальность научной концепции, в основе которой лежит единый подход к разработке массажных устройств и доильных аппаратов в части пневмомеханического воздействия на молочную железу животных. Ее практическая реализация предполагает, что основная роль в выполнении технологически необходимых операций при массаже вымени животных отводится пониженному давлению (вакууму), в то время как механическая составляющая должна выполнять вспомогательную функцию.
К сожалению, серийный выпуск и эксплуатация агрегата АПМ-1-Ф с исполнительным механизмом в виде устройства для пневмомассажа вымени нетелей (УПВН) в какой-то мере ослабили позиции такого подхода. Однако беспристрастный технологический аудит массажных устройств с комбинированным пневмомассажным принципом действия свидетельствует о существенных и не до конца использованных резервах данной группы оборудования.
Известно, что УПВН представляет собой жесткую конструкцию в виде полусферы (колокола), размеры и форма которой учитывают конфигурацию молочной железы. Внутри полусферы смонтирована полиэтиленовая подпружиненная решетка с выступами. В процессе работы устройства в полости полусферы с помощью пульсатора периодически откачивается и подается некоторый объем воздуха.
В момент создания пониженного давления в полусфере УПВН обеспечивается пневматическое воздействие на молочную железу нетели, а с помощью подпружиненной решетки осуществляется механический массаж, призванный восстановить нарушенное под действием вакуума кровообращение в вымени животного. При этом интенсивность механического массажа ограничивается величиной рабочего вакуума в полости полусферы, которая обычно не превышает 15-17 кПа. Диаграмма изменения давления в полусфере (колоколе) УПВН (рис. 1) наглядно демонстрирует его недостатки, которые в общем случае сводятся к малой амплитуде изменения рабочего вакуума (Р2 - Р1) в такте массажа и отсутствию полноценного отдыха тканей вымени от действия пониженного давления (Р1) в такте разгрузки.
Рис. 1. Диаграмма изменения давления воздуха в массажном колоколе УПВН
При этом наиболее характерным моментом при оценке диаграммы является наличие остаточного вакуума в массажном колоколе в такте разгрузки. По сути, этот недостаток является неустранимым для данной конструктивно-технологической схемы УПВН, т. к. остаточный вакуум в колоколе служит для удержания устройства на вымени животного в такте разгрузки и не позволяет восстановить нормальное кровообращение в тканях вымени, нарушенное в такте массажа.
Опыт модернизации массажных устройств, разработанных на базе УПВН, свидетельствует о возможном решении данной проблемы за счет введения в конструкцию независимого элемента, в котором изменение давления по отношению к колоколу будет осуществляться по принципу противо-фаз. Подобный принцип реализован, например, в доильных аппаратах, оснащенных пульсатором попарного доения. Такой пульсатор обеспечивает смену атмосферного давления воздуха в межстенных камерах доильных стаканов на пониженное давление (вакуум) в противофазе для двух пар стаканов, надетых на два передних и два задних соска вымени животных. В настоящее время разработан и запатентован целый ряд массажных устройств, рабочий процесс которых основан на подобном принципе [1-3, 5, 7, 810, 12, 14].
Цель исследования - обоснование рабочего процесса пневмомассажного устройства с более эффективным тактом разгрузки, обеспечивающим полноценное восстановление кровообращения в вымени животного.
Материалы и методы исследований. Объектом исследований являлось устройство двухкамерного типа для комбинированного (пневмомеханического) массажа вымени животных. Реализованные в исследованиях методы позволили получить диаграмму изменения давления в массажном колоколе и массажном элементе (присоске) устройства. Исследования выполнялись с помощью лабораторной установки, состоящей из искусственного вымени коровы, вакуумной системы доильной установки, а также измерительной и записывающей аппаратуры.
Преобразование давления воздуха в массажном устройстве в электрические сигналы и их запись осуществляли с помощью двух малогабаритных датчиков давления МДД-1-1000 и быстродействующего самопишущего прибора Н3031-4. К достоинствам датчиков типа МДД относятся их незначительная инерционность, а также линейная зависимость между сопротивлением потенциометра и деформацией мембраны. Принцип работы датчика заключается в следующем. Ваку-
у м чер ез штуцер 1 (рис. 2) распространяется в герметичном баллоне (корпусе) 2.
Рис. 2. Принципиальная схема датчика давления МДД-1-1000: 1 - штуцер; 2 - баллон; 3 - мембрана;
4 - рычаг; 5 - потенциометр; 6 - контакт
Под действием разрежения мембрана 3 деформируется, перемещая систему рычагов 4 со скользящим контактом 6. Перемещаясь по потенциометру 5, контакт изменяет сопротивление плеч мостовой электрической схемы, в которую включен датчик.
Электрическая схема для подключения датчика была выполнена по общепринятым мостовым схемам и смонтирована на отдельном щите. Схема включения датчика (рис. 3) позволяет использовать его практически с любым типом записывающей аппаратуры.
Рис. 3. Схема включения датчика МДД-1-1000
Результаты исследований. Для проведения исследований было изготовлено массажное устройство, конструктивно-технологическая схема которого представлена на рисунке 4. Рабочий процесс устройства основан на взаимодействии двух рабочих органов, предназначенных для выполнения пнев-момассажа на двух разных участках молоч-
ной железы нетели воздушными потоками, давление которых находится в противофазе друг к другу.
Рис. 4. Конструктивно-технологическая схема массажного устройства: 1 - массажный колокол;
2 - уплотнитель; 3 - массажный элемент; 4, 7 -соединительные шланги; 5 - пульсатор; 6 - фиксатор;
8 - гнездо; 9 - шток; 10 - силовая пневмокамера
Основой устройства является массажный колокол 1 (рис. 4), снабженный резиновым уплотнителем 4 и силовой пневмокамерой 10. В нижней части пневмокамеры закреплено гнездо 8 с возможностью перемещения в нем штока 9, на конце которого закреплен резиновый массажный элемент 3, выполненный в виде полусферы. Гнездо снабжено подпружиненным двуплечим фиксатором 6. Один конец рычага выполнен в виде кнопки, а второй посредством сквозного отверстия в гнезде воздействует на углубления, расположенные на штоке. При нажатии фиксатора шток 9 перемещается вверх, массажный элемент вместе с колоколом прижимается к вымени животного; устройство приводится в рабочее состояние. Массажный колокол и массажный элемент с помощью шлангов соединены с двумя патрубками пульсатора 5,
который служит для преобразования постоянного по величине пониженного давления в магистральном вакуум-проводе в переменное. Первый патрубок шлангом 4 соединен с полостью колокола 1, а с помощью второго патрубка переменное давление с помощью шланга 7 и полого штока 9 поступает в массажный элемент 3.
Рабочий процесс массажного устройства реализуется по двухтактному принципу в следующей последовательности. С помощью магистрального шланга пульсатор подключается к вакуумной системе и попеременно подает и откачивает воздух в массажном колоколе и элементе. При откачивании воздуха из полости массажного колокола стенки силовой камеры 10 деформируются, шток с массажным элементом перемещается вверх. В это же время в массажный элемент подается некоторый объем воздуха, и давление в нем возрастает до атмосферного.
Таким образом, в части молочной железы животного, ограниченной массажным колоколом, осуществляется пневмомассаж, а другая ее часть, на которую воздействует массажный элемент, подвергается механическому массажу. При этом в части вымени, ограниченной полусферой массажного элемента, восстанавливается нормальное кровообращение.
В следующем рабочем такте массажного устройства в полость массажного колокола с помощью пульсатора подается воздух, и силовая пневмокамера (из-за упругих свойств материала, из которого она изготовлена) восстанавливает свою первоначальную форму. В этот же период времени в полости массажного элемента под действием пульсатора образуется пониженное давление (вакуум). Массажный элемент присасывается к тканям вымени животного и удерживает на нем все устройство. Одновременно часть вымени,
ограниченная массажным элементом, подвергается воздействию пневмомассажа. В той части молочной железы, которая взаимодействует с массажным колоколом, под действием атмосферного давления в этом такте восстанавливается нормальное кровообращение. Таким образом, обе части молочной железы, на которые воздействуют массажный колокол и массажный элемент, получают полноценную разгрузку от действия пониженного давления и имеют воз-
можность восстановить нарушенное действием вакуума кровообращение. При этом устранение остаточного вакуума во время такта разгрузки в массажном колоколе позволяет интенсифицировать процесс массажа вымени за счет некоторого увеличения рабочего вакуума. На рисунке 5 представлена диаграмма изменения давления воздуха в элементах предлагаемого массажного устройства в зависимости от частоты пульсаций пульсатора.
тшш
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Пульс, уд./мин
15 16 17
60 уд./мин
50 уд./мин
б)
Рис. 5. Диаграмма изменения давления в массажном устройстве: а - в массажном элементе;
б - в массажном колоколе
Анализ диаграммы показывает, что величины вакуума, воздействующего на ткани молочной железы нетели, для массажного колокола и массажного элемента существенно различаются.
В массажном элементе при штатной для данного типа пульсатора частоте 60 ударов в минуту рабочее давление (вакуум) совпадает со значением этого параметра в магистральном шланге вакуумной системы - 48 кПа. Уменьшение частоты до 50 ударов в минуту влечет за собой снижение рабочего вакуума до 40 кПа. В массажном колоколе при сни-
жении частоты работы пульсатора с 60 до 50 ударов в минуту наблюдается несколько иная закономерность: рабочий вакуум незначительно, но повышается. Объясняется это тем, что пульсатор в штатном режиме своей работы рассчитан на откачивание воздуха из двух межстенных камер доильных стаканов, объем которых не превышает 0,4 дм3. Принятый в эксперименте и соответствующий реальным условиям объем массажного колокола, свободный от вымени, составлял примерно 2 дм3. В связи с этим уменьшение частоты рабочих циклов пульсатора способ-
ствовало некоторому увеличению длительности откачивания воздуха из колокола и соответственно - повышению вакуума в нем. В штатном же режиме работы пульсатора повышенный объем массажного колокола не позволяет полностью завершать процессы откачивания и подачи воздуха, что характерно и для работы доильных аппаратов в подобном режиме.
Следует отметить, что более высокий вакуум в массажном элементе по сравнению с массажным колоколом объясняется необходимостью удержания массажного устройства на вымени животного в цикле разгрузки, когда в колоколе давление повышается до атмосферного. Теоретически снижение вакуумной нагрузки на участок молочной железы нетели, взаимодействующий с массажным элементом, возможно в случае меньшей массы устройства или увеличения площади поверхности массажного элемента. Между тем, целесообразность того или иного варианта неочевидна, так как механическая составляющая массажного устройства обеспечивает восстановление нормального кровообращения на этой, относительно небольшой, части молочной железы животного.
Выводы. Конструктивно-технологическая схема модернизированного массажного устройства позволяет устранить недостатки, присущие устройствам для пневмомассажа вымени нетелей. Достижение этой цели основано на рациональной диаграмме изменения давления в массажном колоколе и его исполнительном механизме - массажном элементе. Применение устройства позволяет обеспечить регулируемые параметры пневматической составляющей массажа для колокола и элемента соответственно в пределах 20-25 кПа и 40-48 кПа.
Литература:
1. Агрегат для пневмомассажа вымени нетелей АПМ-1-Ф. Курган, 1986. 34 с.
2. Андрианов Е.А. Адаптация первотелок к машинному доению и качество молока в связи с массажем вымени нетелей в период подготовки их к лактации // Вестник Воронежского ГАУ. 2012. № 1. С. 36-38.
3. Жужа С.В. Механизация процесса массажа вымени нетелей в условиях современных комплексов: авто-реф. дис. к. т. н. М., 1984. 18 с.
4. Зимняков В.М. Производство и качество молока в России // Инновационная техника и технология. 2019. № 3(20). С. 56-61.
5. Зимняков В., Курочкин А. Влияние временных параметров подготовки нетелей к лактации на формирование рефлекса молокоотдачи у коров-первотелок // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 1. С. 42-45.
6. Иванов Ю.А. Научное обеспечение модернизации объектов по производству продукции животноводства // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2018. № 2. С. 4-12.
7. А.с. 1329695. Способ подготовки нетелей к лактации / Курочкин А.А. и др. Опубл. 15.08.87. Бюл. №30.
8. Курочкин А.А. Анализ конструктивно-технологических схем устройств для массажа вымени нетелей // Инновационная техника и технология. 2016. № 1. С. 29-34.
9. Курочкин А.А., Фролов Д.И. Моделирование пнев-мосистемы устройств для массажа вымени нетелей однокамерного типа // Известия Самарской ГСХА. 2016. № 4. С. 36-43.
10. Курочкин А.А. Экспериментальные исследования устройства для массажа вымени нетелей двухкамерного типа // Вестник РГАТУ. 2017. № 2(34). С. 70-74.
11. Методика технико-экономической оценки технологии подготовки нетелей к лактации / Курочкин А.А. и др. // Вестник НГИЭИ. 2018. № 7(86). С. 39-48.
12. Обоснование интенсивности вакуумной нагрузки на молочную железу нетелей при подготовке их к лактации / В.М. Зимняков и др. // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 2(42). С. 23-28.
13. Техническое оснащение «умной фермы» по производству конкурентоспособного молока / Н.М. Морозов и др. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2018. № 2. С. 22-26.
14. Ужик О.В. Разработка и теоретическое обоснование технологий и технических средств для молочного скотоводства: дис. д. т. н. Белгород, 2014. 388 с.
Literatura:
1. Agregat dlya pnevmomassazha vymeni netelej APM-1-F. Kurgan, 1986. 34 s.
2. Andrianov E.A. Adaptaciya pervotelok k mashinnomu doeniyu i kachestvo moloka v svyazi s massazhem vymeni netelej v period podgotovki ih k laktacii // Vestnik Vo-ronezhskogo GAU. 2012. № 1. S. 36-38.
3. ZHuzha S.V. Mekhanizaciya processa massazha vymeni netelej v usloviyah sovremennyh kompleksov: avtoref. dis. k. t. n. M., 1984. 18 s.
4. Zimnyakov V.M. Proizvodstvo i kachestvo moloka v Rossii // Innovacionnaya tekhnika i tekhnologiya. 2019. № 3(20). S. 56-61.
5. Zimnyakov V., Kurochkin A. Vliyanie vremennyh pa-rametrov podgotovki netelej k laktacii na formirovanie re-fleksa molokootdachi u korov-pervotelok // Tekhnika i te-khnologii v zhivotnovodstve. 2021. № 1. S. 42-45.
6. Ivanov YU.A. Nauchnoe obespechenie modernizacii ob"ektov po proizvodstvu produkcii zhivotnovodstva // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo insti-tuta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2018. № 2. S. 4-12.
7. A.s. 1329695. Sposob podgotovki netelej k laktacii / Kurochkin A.A. i dr. Opubl. 15.08.87. Byul. №30.
8. Kurochkin A.A. Analiz konstruktivno-tekhnologiches-kih skhem ustrojstv dlya massazha vymeni netelej // Inno-vacionnaya tekhnika i tekhnologiya. 2016. № 1. S. 29-34.
9. Kurochkin A.A., Frolov D.I. Modelirovanie pnevmo-sistemy ustrojstv dlya massazha vymeni netelej odnoka-memogo tipa // Izvestiya Samarskoj GSKHA. 2016. № 4. S. 36-43.
10. Kurochkin A.A. Eksperimental'nye issledovaniya ust-rojstva dlya massazha vymeni netelej dvuhkamernogo tipa // Vestnik RGATU. 2017. № 2(34). S. 70-74.
11. Metodika tekhniko-ekonomicheskoj ocenki tekhnolo-gii podgotovki netelej k laktacii / Kurochkin A.A. i dr. // Vestnik NGIEI. 2018. № 7(86). S. 39-48.
12. Obosnovanie intensivnosti vakuumnoj nagruzki na molochnuyu zhelezu netelej pri podgotovke ih k laktacii / V.M. Zimnyakov i dr. // Tekhnika i tekhnologii v zhivot-novodstve. 2021. № 2(42). S. 23-28.
13. Tekhnicheskoe osnashchenie «umnoj fermy» po proizvodstvu konkurentosposobnogo moloka / N.M. Moro-zov i dr. // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'-skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2018. № 2. S. 22-26.
14. Uzhik O.V. Razrabotka i teoreticheskoe obosnovanie tekhnologij i tekhnicheskih sredstv dlya molochnogo sko-tovodstva: dis. d. t. n. Belgorod, 2014. 388 s.
JUSTIFICATION OF WORKING PROCESS OF DEVICE FOR HEIFERS' UDDER COMBINED MASSAGE A.A. Kurochkin, doctor of technical sciences, professor D.I. Frolov, candidate of technical sciences, docent FGBOU VPO "Penza state technological university" V.M. Zimnyakov, doctor of economics, professor FGBOU VPO "Penza state Agrarian University"
Abstract. One of the most energy-intensive and technologically complex processes at milk production is cows' machine milking. The milking equipment's technical level's increasing has got great importance. The scientific concept of the massage devices and milking machines development's unified approach in terms of pneumomechanical effects on the animals' mammary gland is justified. Its practical implementation assumes the main role in technologically necessary operations performing at the animals' udder massaging is assigned to reduced pressure (vacuum), while the mechanical component should perform an auxiliary function. In the proposed design-and-technological scheme of device for heifers udder's combined massage, dependent element's presence is justified, in which the pressure change in relation to the massage's bell in according to the anti-phase principle will be carried out. Such technical solution will unloading cycle's efficiency to increase and thereby animal udder blood circulation's full restoration to ensure. Based on the obtained diagram of device's pressure in the bell and in the massage element (suction cup) changing, the massage devices' working process, operating in according to the proposed scheme, analysis is carried out. The proposed design will eliminate the previously produced heifers udder pneumatic massage device's (UPVN) shortcomings and the bell and element's pneumatic massage parameters respectively within 20-25 kPa and 40-48 kPa adjusting ability to provide.
Keywords: mammary gland, heifers, first-calf cows, vacuum, combined massage, massage device, structural-and-technological scheme.
