Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ механизации и авгоматизащи процесса доения коров. задачи исследования 9
1.1. Состояние машинного доения коров 9
1.2. Состояние автоматизации заключительных
операций доения .:- 12
1.2.1. Анализ способов автоматического отключения доильного аппарата 14
1.2.2. Анализ способов автоматизации заключительных операций доения 18
1.3. Манипуляторы доения 22
1.3.1. Общие сведения 22
1.3.2. Анализ рабочих характеристик манипуляторов доения 26
1.3.3. Анализ условий эксплуатации манипуляторов доения 39
1.4. Выводы по главе 42
1.5. Цель, задачи и программа исследования . 43
2. Теоретические предпосылки к обоснованию параметров манипулятора доения коров 46
2.1. Обоснование параметров заданной рабочей зоны манипуляторов доения 46
2.1.1. Обоснование параметров обслуживаемой зоны при доении одной коровы 47
2.1.2. Обоснование параметров обслуживаемой зоны при доении стада коров 53
2.1.3. Ориентация доильных стаканов в рабочем пространстве манипулятора 60
2.1.4. Эргономические требования к манипуляторам доения 65
2.2. Обоснование кинематических параметров манипулятора доения 67
2.2.1. Определение числа степеней свободы 68
2.2.2. Определение конструктивных параметров манипулятора доения 74
2.3. Взаимодействие манипулятора с выменем животных в процессе доения 78
2.3.1. Анализ программных движений манипулятора доения 78
2.3.2. Определение характеристических координат манипулятора доения 81
2.4. Совершенствование способа автоматического отключения рабочего органа манипулятора доения 85
2.5. Выводы по главе 90
3. Программа и мегодока экспериментальных исследований 92
3.1. Программа экспериментальных исследований . 92
3.2. Методика определения параметров обслуживаемой зоны 94
3.3. Экспериментальный манипулятор доения 99
3.4. Методика сравнительных исследований манипуляторов доения 103
3.4.1. Подбор группы подопытных животных 106
3.4.2. Методика регистрации продолжительности доения и удоя коров 108
3.4.3. Методика определения полноты выдаивания III
3.4.4. Биометрический анализ опытных данных . III
CLASS 4. Результаты экспериментальных исследований и их анажз. 11 CLASS 4
4.1. Статистические характеристики экстерьера и двигательной активности стада дойных коров . 114
4.2. Обоснование оптимальных размеров доильного станка 124
4.3. Границы обслуживаемой зоны и заданной рабочей зоны манипулятора доения 127
4.4. Расчет конструктивно-кинематических параметров манипулятора доения 131
4.4.1. Параметры молочных трубок доильных стаканов . 131
4.4.2. Размеры звеньев манипулятора доения 134
4.5. Показатели молокоотдачи при сравнительных исследованиях манипуляторов доения 136
4.6. Выводы по главе 139
5. CLASS Практическое применение результатов исследований. рекомендации производству CLASS 140
5.1. Методика проектирования манипуляторов доения . 140
5.2. Рекомендации производству 142
6. Экономическая эффективность применения манипуляторов доения 143
6.1. Экономические показатели базовой доильной установки УДА-І6 "елочка" 144
6.2. Экономические показатели доильной установки "елочка", оснащенной экспериментальными манипуляторами . 145
6.3. Выводы по главе 151
Общие выводы 152
Литература 154
Приложение
- Состояние машинного доения коров
- Обоснование параметров заданной рабочей зоны манипуляторов доения
- Программа экспериментальных исследований
- Статистические характеристики экстерьера и двигательной активности стада дойных коров
Введение к работе
Актуальность исследования. На июльском Пленуме ЦК КПСС (1978 г.) и на ХХУІ съезде партии поставлена задача добиться значительного повышения продуктивности молочного скотоводства, снижения затрат труда и средств на производство молока. В частности, намечено довести в одиннадцатой пятилетке средний по стране удой молока до 3 тыс. килограммов, а в районах развитого молочного животноводства выйти на рубежи 4-5 тыс. килограммов [і, 2] .
Решающим фактором роста производительности труда и улучшения условий работы обслуживающего персонала на молочных фермах и комплексах является повышение уровня механизации и автоматизации всех технологических процессов.
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы признано применение автоматических манипуляторов, в частности, манипуляторов доения, предназначенных для автоматизации наиболее трудоемких операций процесса доения коров. ЦК КПСС наметил конкретные задачи по осуществлению программы, предусматривающей проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание и широкое применение автоматических манипуляторов во всех отраслях народного хозяйства [з] .
Применение манипуляторов доения коров имеет большое социально-экономическое значение - оно призвано способствовать рациональному распределению и использованию трудовых ресурсов в молочном скотоводстве, где занято более 1,5 млн.операторов доения [4 , и сокращению доли их тяжелого и монотонного ручного труда.
Опубликованные труды по манипуляторам доения посвящены в основном описанию их конструкции и принципа действия [5, ..., I5J , а также изучению их эксплуатационных показателей [16, 17J и работы приводных устройств [ 18, 19 j .
В настоящее время недостаточно изучены физиологические, зоотехнические и эргономические требования, предъявляемые к манипуляторам доения, а также отсутствуют научные методы подхода к обоснованию конструктивно-кинематических параметров манипуляторов доения коров.
Исследованию этих вопросов и посвящена настоящая работа.
Диссертация выполнена в соответствии с научно-технической программой 0.16.09 - Манипуляторы, утвержденной ГКНТ, Госпланом СССР, АН СССР и Минвузом СССР, № 4I0/237/I25/I358, от 29.10.80.
Целью работы является обоснование конструктивно-кинематических параметров манипулятора доения на основе комплексного изучения биотехнической системы "оператор-животное-машина".
Объект исследования - процесс доения на доильной установке с применением манипуляторов.
Научная новизна определяется следующими положениями:
- для обоснования конструктивно-кинематических параметров манипулятора доения использованы размеры заданной рабочей зоны манипулятора и ее ориентация относительно доильного станка, которые найдены, исходя из параметров обслуживаемой зоны в станке, определяемых экстерьерными показателями стада коров и двигательной активностью их во время доения, а также с учетом прогрессивных методов и приемов эффективного доения и эргономики рабочего места оператора; - обоснованы параметры обслуживаемой зоны в доильном станке и экспериментально определены их значения ;
- обоснован усовершенствованный способ автоматического отключения рабочего органа (доильного аппарата) манипулятора доения ;
- разработана методика проектирования манипулятора доения и обоснованы оптимальные размеры доильного станка для коров ;
- проведены сравнительные исследования экспериментального манипулятора доения с серийным манипулятором в производственных условиях;
- новизна совокупности существенных признаков экспериментального манипулятора доения защищена двумя авторскими свидетельствами СССР [20, 21] .
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработан экспериментальный манипулятор доения, обеспечивающий рациональное взаимодействие доильных стаканов с выменем животного. Разработаны рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании и эксплуатации манипуляторов доения.
Для реализации работы результаты исследований в 1981 г. переданы во Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВЙЭСХ) и использованы при разработке нормативных документов по зоотехническим требованиям, предъявляемым к манипуляторам доения, которые утверждены 18.04.82 Министерством сельского хозяйства СССР. Результаты исследований также могут быть использованы непосредственно специалистами, занимающимися разработкой манипуляторов доения. Производственная проверка эффективности работы экспериментального манипулятора доения произведена в совхозе-техникуме "Красноармейский" Челябинской области.
По результатам исследования опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 изобретения.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и библиографии. Общий объем работы 165 стр., в том числе 120 стр. машинописного текста, II табл., 34 ил-люстр. и 99 наименований использованной литературы, из которых 18 на иностранных языках. Приложение к диссертации изложено на 35 стр.
На защиту выносится научное обоснование основных конструктивно-кинематических параметров манипулятора доения, а именно:
- обоснование параметров заданной рабочей зоны манипулято ра доения;
- обоснование кинематической схемы и конструктивных параметров манипулятора доения;
- результаты практической проверки эффективности теоретических разработок, полученные путем сравнительных исследований экспериментального манипулятора с базовым манипулятором серийной доильной установки УДА-І6.
Состояние машинного доения коров
Технологический процесс доения коров является важнейшим объектом механизации и автоматизации на молочных фермах и комплексах, определяющим производительность труда и качество производимой продукции. На процесс доения приходится 40 ... 60/о затрат ручного труда на молочных фермах
В настоящее время доение коров осуществляется в стойлах на линейных доильных установках АД - ЮОА, ДАС - 2Б с доением в переносные ведра и АД№ - 8 с доением в молокопровод, а также в летних лагерях на УДС - ЗА и в доильных залах на установках типа "тандем" УДГ - 8, "елочка" УДЕ - 8А и "карусель". На базе установок для доения в специальных помещениях Рижским ГСКБ по комплексу машин для ферм КРС разработаны автоматизированные доильные установки УДА - 8, УДА - 16 и УДА - 100.
Все доильные установки, выпускаемые в нашей стране, укомплектовываются унифицированными доильными аппаратами АДУ - I. Они имеют доильные стаканы, состоящие из цельнометаллического корпуса и сосковой резины, выполненной вместе с молочной трубкой.
Производительность доильных установок во многом зависит от продолжительности цикла [іб, 26, 27 J , которая состоит из затрат времени на выполнение операций доения, " -6n n j9 3 tun "-P где L - продолжительность подготовительных операций, с ; С о. - продолжительность машинного доения, с ; t3 - продолжительность заключительных операций, с ; ъп $ып t f n затРаты времени на впуск и выпуск коров, а также на прочие операции, с. Основным составляющим цикла является продолжительность доения. С увеличением продолжительности доения пропорционально растет объем работ, приходящихся на обслуживание одного животного. В табл. I.I приведены данные [23J объема работ по доению за период лактации животного, рассчитанные по следующей формуле: 305 "Ьа Т л 60 где -о. - продолжительность доения, мин ; -f- - кратность доения. Из табл. I.I видно, что сокращение продолжительности доения на одну минуту дает экономию затрат труда за 305 дней лактации коровы в размере 10,2 ч/гол. при двухкратном и 15,3 ч/гол. при трехкратном доениях.
Для быстрого и наиболее полного выдаивания коров осуществляется целый комплекс подготовительно-заключительных операций.
Подготовительные операции включают в себя подгон животных, подготовку вымени к доению (обмывание, массаж вымени и сдаивание первых струек молока) и подключение аппарата. На подготовку вымени вручную приходится до 32% от затрат живого труда на доение [16, 27, 28] .
Для автоматизации обмывания и массажа вымени разработаны специальные станки - санитарные пункты [29J . Они применялись на экспериментальной установке УДА-24, на установках "тандем" и "карусель", которые испытывались Рижским ГСКБ. Теоретическое обоснование основных параметров санитарного пункта и исследования его на установках УДА-24, "карусель" и УДС-ЗА проведены в учебном хозяйстве сотрудниками кафедры механизации животноводческих ферм Челябинского ИМЭСХ под руководством Н.Н. Викторовой [ 16, 30J .
Автоматизация подготовительных операций связана с трудностями, обусловленными необходимостью отдельного сдаивания первых струек молока и сложностью надевания стаканов на соски животного [23 J .В Віжском ГСКБ ведутся исследования [_29j , направленные на поиск и обоснование технических решений для автоматизации этих операций.
Заключительные операции включают в себя контроль за доением, машинное додаивание, отключение и снятие доильного аппарата, а также отвод его из-под коровы в нерабочее положение. На выполнение этих операций вручную приходится около 40% всех затрат живого труда на машинное доение [ 16, 27, 28, 31 J . Поэтому механизация и автоматизация заключительных операций является наиболее актуальной проблемой доения коров.
Наиболее трудоемкой операцией, препятствующей повышению производительности труда операторов, является машинное додаивание. Механизация и автоматизация машинного додаивания сопряжены со значительными трудностями, связанными с отсутствием единого мнения о физиологически обоснованном начале проведения этой операции. Имеющиеся рекомендации о начале проведения машинного додаивания по интенсивности молокоотдачи весьма различны и колеблются от 6,7 . 1(Г3 до 13,0 Ю"3 кг/с [32, 33J .
Обоснование параметров заданной рабочей зоны манипуляторов доения
Эффективность автоматического отключения доильного аппарата зависит от способа, которым оно осуществляется, т.е. от последовательности и режима выполнения отдельных манипуляций отключения аппарата.
В настоящее время применяются четыре способа автоматического отключения доильного аппарата.
При первом способе [40J последовательность выполнения автоматически выполняемых манипуляций следующая: - непрерывный контроль интенсивности молокоотдачи ; - регистрация момента прекращения молокоотдачи ; - впуск в подсосковые камеры доильных стаканов атмосферного воздуха.
Этот способ, разработанный в Швейцарии, не предусматривает автоматического отсекания линии разрежения в момент впуска атмосферного воздуха в подсосковые камеры. Поэтому впускаемый в них воздух будет непрерывно отсасываться через коллектор линией разрежения, что приводит к падению его уровня в системе. Из-за
этого невозможно также устанавливать в подсосковых камерах атмосферное давление - в них будет иметь место остаточное разрежение. Это разрежение, воздействуя на соски животного, будет продолжать удерживать доильные стаканы на вымени. Кроме того, переменное разрежение в межстенных камерах доильных стаканов, использующееся в процессе доения и сохраняющееся после окончания процесса, воздействуя на сосковую резину, будет продолжать оказывать на соски периодическое сжатие. Наличие этих двух факторов - остаточного разрежения в подсосковых и переменного разрежения в межстенных камерах доильных стаканов после прекращения молокоотдачи, по существу, равнозначно "холостому" доению. Поэтому для снятия стаканов необходимо приложить усилие и иметь дополнительный механизм. По этим причинам этот способ не нашел широкого применения в практике машинного доения.
Второй способ [41, 42, 43 J применяется широко. В отличие от первого он дополнительно предусматривает автоматическое перекрытие линии разрежения одновременно с впуском в подсоско-вые камеры атмосферного воздуха. Поэтому он надежнее первого. Основным недостатком этого способа является то, что для его реализации необходимо применять механизмы перекрытия линии разрежения. Эти механизмы преимущественно выполняются в виде зажимов с пневматическим приводом, в виде клапанов с приводом от электромагнитных устройств или от пневматических цилиндров, шток которых связан с клапаном посредством гибкого каната [42, 43] .
Известен третий способ автоматического отключения доильных аппаратов, разработанный в 1964 г. Ю.Н. Маловым, Н.В. Федоровым и М.И. Динерманом [44] . Этот способ внедрен сотрудниками
ШЭСХ в колхозе "Память Ильича" Московской области. При этом способе отключение доильных стаканов производится путем автоматического создания постоянного такта "отдыха" в момент прекращения молокоотдачи. Здесь последовательность автоматически выполняемых манипуляций следующая: - непрерывный контроль интенсивности молокоотдачи ; - регистрация момента прекращения молокоотдачи ; - впуск в подсосковые камеры доильных стаканов атмосферного воздуха; - отсекание линии разрежения посредством клапана, установленного в молочном коллекторе ; - изменение переменного разрежения в межстенных камерах доильных стаканов, использовавшееся в процессе доения, на постоянное атмосферное давление.
При отключении доильного аппарата по этому способу, путем создания в стаканах постоянного такта "отдыха", также сохраняется остаточное разрежение в подсосковых камерах, достигающее до 13 кПа. Это разрежение необходимо для того, чтобы исключить возможности падения доильных стаканов в процессе доения [4 J . Основным недостатком этого способа является то, что ег невозможно применить для аппаратов, работающих по двухтактному циклу, без оснащения их дополнительными устройствами.
Четвертый - это весьма оригинальный способ, предложенный В.Ф. Королевым 45] . Он отличается от перечисленных тем, что в момент прекращения молокоотдачи одновременно с отсеканием линии разрежения в межстенные камеры подается постоянное разрежение. В результате этого доильные стаканы самостоятельно спа-дают с сосков. При этом животному не наносятся болевые ощущения.
Программа экспериментальных исследований
Экспериментальные работы проводились в молочном комплексе совхоза-техникума "Красноармейский" Челябинской области в I979-I98I гг.
В состав комплекса входит доильный блок, в котором смонтированы четыре доильные установки "елочка" производства завода "Курганеельмаш" - три из них УДЕ-8 и одна УДА-І6.
Группа коров, содержащихся в отдельных секциях, укомплектованы с учетом их стадии лактации. Коров доят по секциям, начиная с новотельных и кончая коровами, идущими в запуск. На комплексе принято двухкратное доение коров с равными (по 12 часов) интервалами между дойками.
По данным зоотехнического учета, в 1980 г. на комплексе содержались коровы массой 330 ... 640 кг, продуктивность которых значительно различалась и составляла 2400 ... 3800 кг.
Программа исследований составлена, исходя из характера решаемых задач экспериментирования, и предусматривала проведе ниє опытов по этапам.
Вначале были проведены поисковые исследования для уточнения перечня вопросов решаемых на каждом этапе экспериментов и разработки методик, а также для выбора необходимой аппаратуры тестирования молокоотдачи. Они позволили также выбрать лучшую форму организации опытов и определить необходимый объем экспериментальных данных. Кроме того, при поисковых наблюдениях было изучено поведение коров во время доения.
На первом этапе проводились замеры отдельных статей животных и их перемещений в доильном станке. Это позволило выявить характер перемещений коров в станке, экстерьерные признаки стада и на этой основе определить объем обслуживаемой зоны. Исходя из параметров обслуживаемой зоны, рассчитаны размеры заданной рабочей зоны манипулятора доения и ее ориентация в доильном станке.
Затем разрабатывался экспериментальный манипулятор доения, конструктивно-кинематические параметры которого выбраны по их теоретическим значениям. Были изготовлены несколько опытных образцов манипуляторов, отличающихся конструктивным исполнением. В дальнейшем изучалась и сравнивалась работа всех образцов манипуляторов непосредственно в производственных условиях.Наилучший из них выбран для исследования его в сравнении с серийным манипулятором доения.
Подбор подопытной группы животных, для проведения сравнительных исследований, осуществлялся с учетом типа их стрессо-устойчивости [90 J .
На втором этапе экспериментальных работ проводились сравнительные исследования экспериментального манипулятора доения с манипулятором серийной ароматизированной доильной установки УДА-І6.
В задачу экспериментальных исследований входило определение показателей экстерьера 2С, z хз е и перемещений животных , & во время доения, входящих в формулы (2.6), (2.15), (2.16) и (2.24) для расчета параметров обслуживаемой зоны.
В литературных источниках [65, 82, 83J имеются данные промеров JC,, эсх, d f е для коров различных пород (табл. П.3.1). Однако они дифференцированы по возрасту или семействам коров и не отражают общие экстерьерные характеристики всего дойного стада типичных молочных ферм.
Максимальный объем зоны, подлежащей обслуживанию оператором, а следовательно и манипулятором, имеет место на установках типа "елочка", где свобода перемещения коров наибольшая по сравнению с установками, оборудованными индивидуальными станками. Поэтому все промеры коров произведены на установке "елочка" УДА.-І6. Ширина /R , приходящаяся на одно доильное место на этой установке, составляет 80 см.
Статистические характеристики экстерьера и двигательной активности стада дойных коров
Параметры и графики распределения промеров статей стада коров и перемещений их во время доения представлены в табл. П.4.1, ..., П.4.6 и на рис. 4.1, ..., 4.6. Результаты расчета выборочных характеристик распределений и проверки надежности статистических оценок приведены в табл. 4.1.
Необходимо отметить, что полученные данные соответствуют аналогичным показателям промеров статей коров (табл. П.З.І), имеющихся в литературных источниках б5, 82, 83 J . Вместе с тем промеры отдельных статей, в частности ширины в маклоках, несколько отличаются от литературных данных (табл. П.3.1). Это можно объяснить тем, что опубликованные материалы посвящены вопросам селекции животных и получены путем постановки опытов на коровах, подобранных по определенному признаку {семейству, лактации, продуктивности и др.). В наших же исследованиях статистические совокупности промеров животных не были дифференцированы по какому-либо признаку, так как манипуляторы должны быть способнымиобслуживать всех коров дойного стада.
Совокупность эмпирических выборок всех промеров, кроме высоты расположения вымени ЭС$ , согласуется с нормальным законом распределения случайных величин. Проверка степени согласованности эмпирических и теоретических распределений по критерию Пирсона С показывает, что они совпадают с вероятностью 0,95.
Распределение величин и (расстояние от кормушки соответственно до центра вымени и хвостовой части коров) по нормальному закону свидетельствует о правильности выбора нами передней кромки кормушки в качестве базовой линии для регистрации перемещений животных.
Распределение высоты расположения вымени &3 согласует-ся с законом равной вероятности по критерию с надежностью 0,95. Следовательно, вероятность того, что величина попадает в диапазоны значений между Л = 45,4 см и "Ь s 65,6 см (рис. 4.3), равна вероятности того, что она попадает в любой другой диапазон той же длины.
Доверительные границы интервалов изменения всех промеров (табл. 4.1) определены уровнем вероятности, близким к единице (0,974 ... 0,999), т.е. высока достоверность того, что исследуемые показатели статей коров дойного стада попадают в эти интервалы. Отклонение данных от истинного значения исследуемых величин не превышало 0,8$. Высокая точность измерений достигнута благодаря большому объему выборки, равному 500, вместо требуемого по расчету до 141 (табл. П.3.2).
В настоящее время нет исследований, содержащих данные, отражающие двигательную активность животных во время доения.
Для количественной оценки двигательной активности коров в доильном станке нами произведено многократное измерение перемещений стада коров во время доения. На рис. 4.7 представлен график распределения перемещений животных по длине доильного места. Этот график позволяет получить общие сведения о движениях животных вдоль станка и определить структуру обслуживаемой зоны. ( - = - 0,05; M s 0) не велика, что свидетельствует о симметричности частот относительно центра распределения. Величина стандартного отклонения s 1,9 показывает, что абсолютные значения перемещений животных не велики. В интервале о2± 3 6 содержится более 80% всего объема наблюдений.
Многочисленные наблюдения за поведением животных во время доения показывают, что их перемещения по ширине станка не н определены и практически незначительны. Поэтому в наших исследованиях за условные перемещения животных по ширине доильного места взяты возможные пределы перемещений % = п - С-, , которые ограничиваются шириной станка А и габаритами коров ЗС, .
Таким образом, на основании данных, полученных путем измерения перемещений коров во время доения, можно отметить следующее:
- в 133 случаях из 488 наблюдений животные не передвигаются с места после входа в доильный станок, т.е. около 30% коров стада во время доения стоят неподвижно (рис. 4.7 и табл. П.4.7). Следовательно, согласно условиям формулы (2.5), в этих случаях обслуживаемая зона будет минимальной и определяется взаимным расположением сосков. При доении "неподвижных коров задача манипулятора сводится к оттягиванию доильных стаканов по направлению естественного расположения сосков. В таких случаях необходимость слежения манипулятором за перемещениями животных отпадает ; - около 50% коров во время доения передвигаются на расстояние не более 12 см (рис. 4.7 и табл. П.4.7) ; - остальные 20% коров стада, проявляющие наибольшую активность, передвигаются на расстояние до 19 см (рис. 4.7 и табл. П.4.7).
Используя экспериментальные данные выборочных характеристик промеров статей (табл. 4.1) и перемещений животных (рис. 4.7), можно рассчитать параметры обслуживаемой зоны и определить заданную рабочую зону манипулятора доения. Однако необходимо учесть, что границы обслуживаемой зоны во многом зависят от размеров доильного станка. Поэтому вначале необходимо обосновать его оптимальные размеры.
