CC BY
23
УДК 636.2:631.3
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОЛОЧНОГО СКОТОВОДСТВА
О.В. Ужик
Показана важность комплексного решения проблемы повышения эффективности молочного скотоводства путем технико-технологического сопровождения. Указаны направления в создании устройств для массажа вымени нетелей, адаптивного доильного аппарата, манипулятора доения коров, устройства для родовспоможения коровам, а также приведены их схемы. Приведены математические модели данных механизмов и их конструктивно-режимные параметры.
Ключевые слова: молочное скотоводство, массаж, доение, родовспоможение, устройство, аппарат, манипулятор.
Отрасль молочного скотоводства принадлежит к одной из самых сложных отраслей. Это связано с тем, что формирование, наращивание и поддержание молочной продуктивности коров происходит практически на протяжении всей жизни животного. И от того, насколько адекватны будут управляющие воздействия на всех этапах формирования и эксплуатации высокопродуктивного животного, зависит эффективность.
Вместе с тем, как для субъектов Федерации, так и для всей России в целом в настоящее время характерным является дальнейший спад поголовья коров наряду с одновременным ростом их молочной продуктивности. Но спад поголовья идет опережающими темпами и поэтому неизбежно падение валового производства молока. Решение проблемы - наращивание поголовья коров, а также повышение их продуктивности. При этом при решении последней весьма важной является целенаправленная селекционная работа с животными молочного направления, увеличение производства высококачественных кормов, внед -рение прогрессивных технологий, реализуемых адаптивными машинами.
Об этом свидетельствуют и результаты анализа мнения ученых и специалистов об актуальности и уровне значимости тех или иных направлений развития отрасли, и результаты наших собственных исследований. Одним из самых значимых факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность отрасли молочного скотоводства, является технология содержания животных.
Как следует из вышеизложенного выращивание и использование высокопродуктивных коров представляет собой сложную многоуровневую систему с весьма значимыми взаимосвязанными звеньями на каждом этапе. Поэтому важ -ным является комплексное решение проблемы повышения эффективности молочного скотоводства путем технико-технологического сопровождения, обес-
печивающего повышение сохранности поголовья, рост молочной продуктивности коров, производительности труда обслуживающего персонала.
Анализ функционирования и технического оснащения высокоэффективных производств показывает, что бесстрессовые технологии содержания животных, а также применение комплекса технических средств нового поколения с регулируемыми параметрами для инженерного оборудования, возможны в случае перенесения методов адаптивных автоматизированных производств на технологический процесс. Для реализации указанного направления необходимо применение адаптивно- (т.е. самонастраиваемого в зависимости от ситуации) управляемого технологического оборудования (технологических агрегатов и машин).
Как показывает анализ результатов исследований существующих уст -ройств для массажа вымени нетелей, наиболее эффективным до настоящего времени остается ручной массаж. При этом следует отметить, что массаж должен быть адаптивным, т.е. изменяться в зависимости от физиологического состояния нетели. Известные устройства для массажа вымени нетелей не в состоянии выполнить в комплексе те технологические приемы, которые выполняются операторами-массажистами. Очевидно, что необходим поиск новых путей и методов массажа, создание новой конструкции на основе синтеза имеющейся информации об известных технических решений в этой области механизации сельского хозяйства.
Известно, что эффективность и полнота молоковыведения при доении коров зависит не только от рефлекторной деятельности организма животного, но и от технических характеристик доильного оборудования.
Анализируя опыт ученых, занимающихся исследованием процесса доения коров, можно сделать вывод, что доли вымени коров имеют ярко выраженную неравномерность развития. Поэтому необходимо создание такого доильного оборудования, которое обладало бы достаточной пропускной способностью, адаптивными свойствами, т.е. возможностью изменения режима доения каждой доли вымени коров в отдельности в зависимости от интенсивности потока молока в ней, и способностью полностью извлекать молоко из вымени коровы без вредного воздействия на него. Большинство исследователей считают, что изменение вакуумметрического давления под соском, в зависимости от интенсивности молокоотдачи, является основным способом эффективной защиты соска от неблагоприятного воздействия вакуумметрического давления в начале и по завершению процесса доения.
Анализ известных технических решений доильных аппаратов с управляемым режимом доения показывает, что наиболее эффективным следует считать доильный аппарат с почетвертным управляемым вакуумным режимом доения как в подсосковых, так и в межстенных камерах доильных стаканов. Поэтому вопрос разработки подобных доильных аппаратов следует продолжить именно в этом направлении.
Для автоматизации процесса управления режимом доения и снятия доильных аппаратов с вымени коров по завершению процесса, было разработано множество конструкций. Однако их несовершенство не позволяет в полной мере реализовать положительный эффект адаптивного доения. Поэтому вопрос разработки переносных доильных аппаратов с устройством для управления режимом доения по каждой доле вымени коров в отдельности и снятия доильных стаканов после завершения процесса доения, полностью отвечающих физиологии животных, актуален и требует своего разрешения.
Запуск коров - обязательная технологическая операция перед их отелом. Поэтому разработка адаптивного манипулятора для доения коров, обеспечивающего заданную полноту выдаивания, является актуальной задачей.
Анализ доли мертворожденных телят позволяет сделать заключение о не -обходимости разработки устройства для родовспоможения коровам, обеспечивающего физиологичную силовую помощь при отеле.
В связи с вышеизложенным, возникает актуальная научная проблема разработки адаптивных механизированных и автоматизированных технологий производства продукции животноводства и соответствующих им новых систем многофункциональных технических средств для обслуживания животных.
Главное при подготовке нетелей к отелу - приучение будущей коровы к доильному оборудованию и массажу вымени нетели, который оказывает существенное влияние на последующую молочную продуктивность коров. Наибольшую известность и широкое применение, в силу простоты конструкции массажных устройств, получил пневматический и пневмомеханический массаж вымени нетелей. Одним из таких технических средств, обеспечивающих пневмомеханическое воздействие на рецепторные зоны молочной железы, может быть предложенное нами устройство, приведенное на рисунке 1, которое выполнено в виде чашеобразного массажного колокола 1.
Рис. 1. Схема устройства для массажа вымени нетелей: 1 - массажный колокол; 2 - вымя;
3 - пневмовибратор; 4 - эластичная мембрана; 5 - груз; 6 - отверстие; 7 - клапан
Принцип его действия основан на вызове колебаний системы массажное устройство - вымя (1 и 2) под воздействием пневмовибратора 3, возбудителем колебаний в котором служит эластичная мембрана 4 с грузом 5.
Установлено, что амплитуда колебаний вымени под воздействием массажного устройства зависит от массы устройства, массы груза пневмовибрато-ра, частоты колебаний, а также диаметра мембраны. Для определения необходимой массы груза т3 нами получено уравнение:
аА
тах
=
тах
т1 + т2 4 (т1 + т2У
а'
\т1+т2 2 (т1+т2) 2у гр 5 * П
Л|
а'
т1+т2 2 {т1+т2):
•Ь + р
(1)
7/2
где // - коэффициент пропорциональности, Н/м ; х - деформация, м.; Ш1 и т2 - масса вымени и массажного устройства, кг.; р - начальная фаза колебания, рад; Атах и Агр - амплитуда колебаний вымени и груза, м
Для достижения зоотехнически обоснованной максимальной амплитуды колебаний вымени, равной 30 мм, при массе молочной железы 3 кг устройство для массажа вымени должно обладать следующими параметрами: масса 0,5 кг, масса груза пневмовибратора - 0,13 кг, частота пульсаций - 1,7 Гц, диаметр мембраны - 0,12 м.
Известно, что эффективность и полнота молоковыведения при доении коров зависит не только от рефлекторной деятельности организма животного, но и от технических характеристик доильного оборудования.
На основании проведенных их исследований нами разработана новая конструктивная, на наш взгляд наиболее рациональная схема доильного аппарата с управляемым режимом доения в зависимости от интенсивности потока молока. Адаптивный доильный аппарат состоит из двухкамерных доильных стаканов 12 (рисунок 2), регуляторов вакуумметрического давления 7 в подсос-ковых камерах 11 для каждого доильного стакана 12, и четырехкамерного коллектора 2.
Регулятор вакуумметрического давления 7 выполнен в виде межстенной камеры 8, образуемой жестким корпусом 6 и эластичной трубкой 5, и камеры 21 переменного вакуумметрического давления внутри трубки.
Камера 21 переменного вакуумметрического давления регулятора 7 содержит Т-образный патрубок 23, боковые торцы которого образуют с эластичной трубкой 5 щель 22, а его свободный конец соединен с молокоприемной камерой 28 коллектора 4. Уравнение для расчета вакуумметрического давления Рупр в межстенной камере 8, при котором в подсосковой камере доильного стакана установится необходимое давление доения Рд имеет вид:
упр
= РД +
ДЛ Я-(Д1-Ду) (АВ-АУ)
к ж(й1-11)
ав
+цЕ
дл
(АВ-А'В')
ав
+ '
Ц2Е
(АВ-АУ) ДЛ я-(^1-Ду) 1г ж(й1-11)
ав
-ц3Е
+
1 -¡.I
ДЛ 3(АВ-АУ)
ав
(1-М2)(
+ ■
цЕ
1-ц2
(АВ-АУ) ДЛ
д3+д4 +д2+д3>
+
ав
¡1 ж(й1-11)
1 -д
1-Д /
ДЛ
(ав-аУ)
ав
(1-,2)(1-,2-£
3+д4
+д2+д3>
(2)
где: Л^ - деформация стенки трубки, м; ^ - толщина стенки трубки, м;
2
Е - модуль упругости, Н/м ; ц - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); й} - наружный диаметр трубки, м.; - диаметр деформированной трубки на удалении от середины трубки, м.; АВ - длина трубки, м; А В' - длина образующей трубки в деформированном состоянии, м.
Рис. 2. Схема адаптивного доильного аппарата:
1 - магнитоуправляемый пневмоклапан; 2 - четырехкамерный коллектор; 3 - патрубок; 4 - калиброванный канал; 5 - эластичная трубка; 6 - корпус; 7 - регулятор вакуумметрического давления; 8 - межстенная камера; 9 - патрубок;
10 - патрубок; 11 - подсосковая камера; 12 - доильный стакан; 13 - межстенная камера;
14 - регулятор вакуумметрического давления;
15 - камера переменного вакуумметрического
давления; 16 - камера управления; 17 - мембрана; 18 - щель; 19 - патрубок; 20 - патрубок; 21 - камера переменного вакуумметрического давления; 22 - щель;
23 - Т-образный патрубок; 24 - калиброванный канал; 25 - патрубок; 26 - распределительная камера;
27 - распределитель; 28 - молокоприемная камера; 29 - поплавок; 30 - магнит.
Так, в регуляторе вакуумметрического давления с трубкой длиной 45 мм и толщиной стенки 2 мм, модуле упругости материала трубки 2 МПа, диаметре отверстий Т-образного патрубка 0,005м, кинематической вязкости воздуха 0,000017 Пас, щели между отверстиями Т-образного патрубка и внутренней
стенкой трубки 0,01м, и давлении в магистрали доильного аппарата 50 кПа, при необходимости доения давлением 33 кПа, в межстенной камере должно быть давление 29,4 кПа, а при доении с давлением 48 кПа - 44,6 кПа. В регуляторе с длиной трубки 55 мм возрастание давления доения с 33 кПа до 48 кПа обеспечивается изменением давления в межстенной камере регулятора с 30,4 до 45,5 кПа.
Запуск коров - обязательная технологическая операция перед их отелом. Она может быть реализована при помощи манипулятора доения коров с элементами автоматики управления режимом работы. Опираясь на собственные исследования, а также анализируя исследования ученых нами разработаны классификации манипуляторов по функциональным особенностям и манипуляторов по способу использования и конструкции исполнительного механизма.
Запуск коров может быть реализован при помощи предложенного нами манипулятора доильной установки (рисунок 3), который состоит из доильного аппарата 8, тросом 7 связанного с пневмоцилиндром 11, который посредством петли 14 (с возможностью качания) прикреплен к стойке (на схеме не показана) и блока управления 15, подключаемый посредством разъема 26 к молокопрово-ду 27 и вакуумпроводу 28 доильной установки, например АДМ-8.
Рис. 3. Схема манипулятора для запуска коров:
1 - клапан; 2 - рычаг; 3 - коллектор; 4 - клапан; 5 - регулятор вакуумметрическо-го давления; 6 - доильный стакан; 7 - трос; 8 - доильный аппарат; 9 - управляющая камера; 10 - жиклер; 11 - пневмоцилиндр; 12 - пневмоусилитель; 13 - камера управления; 14 - петля; 15 - блок управления;
16 - трехходовой кран;
17 - электронный блок;
18 - калиброванный электроклапан; 19 - регулятор вакуумметри-ческого давления; 20 - электродный датчик; 21 - молоколовушка; 22 - гаситель потока молока; 23 - поплавок; 24 - магнит; 25 - геркон; 26 - разъем; 27 - молокопровод;
28 - вакуумпровод; 29 - пульсатор; 30 - подсосковая камера; 31 - межстенная камера.
Теоретические исследования процесса снятия доильного аппарата с вымени коровы по завершению доения позволили получить интегральное выражение зависимости необходимого усилия, развиваемого пневмоцилиндром, от длины и диаметра пневмоцилиндра, длины гибкой тяги крепления доильного аппарата, их массы, а также угла отклонения доильного аппарата в момент снятия от вертикальной оси точки подвеса пневмоцилиндра, и вакуумметрического давления в пневмоцилиндре, при котором реализуется заданная траектория движения доильного аппарата. При этом мы рассматривали систему доильный аппарат - пневмоцилиндр как двойной математический маятник (Рисунок 4).
Рис. 4. Траектория движения доильного аппарата
Однако интегрирование полученного уравнения весьма затруднительно. Для определения необходимого усилия пневмоцилиндра манипулятора воспользуемся графическим методом, представив подинтегральное выражение в виде графика, произведя расчеты, задавшись следующими параметрами (рисунок 5): длина пневмоцилиндра ¡1 = 0.8 м; длина гибкой тяги ¡2 = 0,6 м; масса пневмоцилиндра т1 = 2 кг; масса доильного аппарата т2 = 3 кг; коэффициент соотношения масс ^ = 0,4; параметр Архимедовой спирали к = 0.4 м/рад.
Рис. 5. Графическое представление подинтегрального выражения
2
Данная зависимость с достоверностью аппроксимации Я =0.9919 может быть представлена полиномом пятого порядка вида:
у = 21.907-11.726х+3.7519х2-0.3108х3+0.0167х4-0.0003х5, (3)
где у - энергия процесса, Дж; х - угол отклонения пневмоцилиндра, рад.
Проинтегрировав данное выражение по переменному значению ф угла отклонения пневмоцилиндра в окончательном виде получим выражение, характеризующее полное усилие пневмоцилиндра (Рисунок 6): ^ = 21,907^ - 5,863^2 + 0,9173^3 - 0,0777^4 + 0,00334^5 - 0,00005^6 + т2д (4)
Рис. 6. Зависимость усилия пневмоцилиндра от угла его начального отклонения от вертикальной оси
Начальный угол отклонения пневмоцилиндра, рад.
Так для пневмоцилиндра длиной 11 = 0.8 м и диаметром 55мм, длины гибкой тяги 12 = 0,6 м; массы пневмоцилиндра т1 = 2 кг, массы доильного аппарата т2 = 3 кг, при изменения начального отклонения доильного аппарата относительно точки подвеса пневмоцилиндра от 0 до 0,8 рад., вакуумметрическое давление, подаваемое в пневмоцилиндр для обеспечения движения доильного аппарата в процессе снятия с вымени коровы в плоскости, параллельной полу помещения, должно быть увеличено с 12 до 18 кПа.
Для оказания помощи корове при патологическом отеле нами разработано устройство для родовспоможения коровам, которое выполнено в виде скобы 5 (рисунок 7), предназначенной для взаимодействия с крупом коровы, и тягового механизма, выполненного в виде каретки 22 и рукоятки 10.
Рис. 7. Схема устройства для родовспоможения коровам: 1, 9 - ушко; 2 - остов; 3, 4 - тяга; 5 - скоба; 6, 14 - ползун; 7 - шарнир; 8 - перемычка; 10 - рукоятка; 11 - рычаг; 12 - вилка; 13 - винтовой механизм; 15 - крючок; 16 - фиксатор; 17 - ручка; 18, 21 - пружина; 19 - ролик; 20 - пластина; 22 - каретка.
Работоспособность устройства для родовспоможения коровам зависит от надежности фиксации пластины 20 и фиксатора 16 на остове 2 за счет возникающих сил трения (рисунок 8):
< V (5)
где Г] - усилие, развиваемое на пластине 2 рычагом 3 в горизонтальной плоскости, Н; Гтр - сила трения пластины 2 по остову 1, Н, которая в свою очередь может быть представлена в виде:
^тр - ^тр 1 + ^тр 2> (6)
где Гф! - сила трения пластины 2 об остов 1 в точке О, Н; Гтр2 - сила трения пластины 2 об остов 1 в точке В, Н.
У
Fni
\\ \Л -, ■л( F5 У\ \ °
■О г O / ч. ,\ \ ( rysf \ \ О^, ч , .... \ -ЛК
2_у %
Рис. 8. Схема взаимодействия пластины и остова устройства для родовспоможения.
Из уравнения (7) следует, что множитель правой стороны уравнения при Г] должен быть больше единицы. Поиск оптимальных параметров пластины -ее толщины а и высоты окна с, при которых выполняется это условие, можно осуществить, продифференцировав правую часть уравнения по указанному оптимизируемому параметру, и приравняв ее нулю решить относительно искомой величины.
F =
1 тр
Fi с о s ( аг с с о s ,
_V_У а 2 + с 2
- аг с tg а) s i
sin arceos
Уа2+ с 2
Vа2+b2
соб агсЬд-
ак1 + (Ь + с)к2
(7)
Vа2+с2
где а - толщина пластины, м; & - высота окна, м; ^ - толщина остова, м.
Однако данное уравнение достаточно сложно для дифференцирования. Поэтому целесообразней всего решить данное уравнение численным методом, задавшись исходными конструктивными параметрами остальных элементов конструкции. Так, для обеспечения заклинивания пластины на остове устройства, для остова высотой 35 мм при толщине пластины 3 мм высота окна пластины должно быть равна 45 мм, а при толщине пластины 11 мм - высота окна может варьировать в интервале 39.. .55 мм.
Устройство для массажа вымени нетелей при расчете экономической эффективности оценивали по приведенным затратам с учетом роста молочной продуктивности первотелок. При оценке устройства для родовспоможения коровам учитывались затраты капитального характера.
Экономическая эффективность экспериментального доильного аппарата, а также экспериментального переносного адаптивного манипулятора доения коров складывалась из эффективности от снижения затрат труда при их использовании, увеличения продуктивности коров и снижения заболеваемости маститом. Годовой экономический эффект устройства для массажа вымени нетелей с учетом приведенных затрат и роста молочной продуктивности первотелок, в расчете на 124 головы, составляет 720182,96 рубля, а на одну корову - 5807,92 рубля.
Выполненные расчеты показывают, что экономия средств от приобретения для хозяйства предлагаемого нами устройства для родовспоможения коровам составляет 16165,0 рублей, что свидетельствует о целесообразности использования предлагаемого нами механизма.
Доение коров экспериментальным доильным аппаратом обеспечивает достижение экономического эффекта по приведенным затратам, который составляет 29585,41 рублей. В расчете на одну первотелку эта сумма равна 139,55 рубля. Годовой экономический эффект доильного аппарата с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания, в расчете на 212 коров, составляет 642201,81 рубля, а на одну голову - 3029,25 рубля.
Доение коров экспериментальным манипулятором обеспечивает достижение экономического эффекта по приведенным затратам, который составляет 38209,83 рубля. В расчете на одну первотелку эта сумма составляет 170,58 рубля. Годовой экономический эффект манипулятора с учетом приведенных затрат и полноты выдаивания, в расчете на 224 коровы, составляет 1309633,83 рубля, а на одну голову - 5846,58 рубля.
Внедрение разработанного комплекса машин в хозяйствах Белгородской области позволило получить дополнительную прибыль более 1 млн рублей.
Ужик Оксана Владимировна, кандидат технических наук, доцент Белгородская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Я. Горина Тел. 4722392179 E-mail: uzhik16@rambler.ru
The importance of a comprehensive solution to the problem of dairy cattle breeding efficiency by technical and technological support. Show the directions in creating devices for massaging the udder of heifers, adaptive milking machine, milking robot arm, a device for birthing cows, as well as shows their scheme. Mathematical models of these mechanisms and their design and operational parameters. Keywords: dairy cattle, massage, milking, delivery, device, machine, manipulator.
