Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Анализ предшествующих исследований. цель и задачи исследования ...10
1.1. Состояние вопроса исследования подготовки выменинетелей к отелу 10
1.1.1. Ручной массаж 18
1.1.2. Машинный массаж, обоснования необходимости его проведения 23
1.1.3. Теоретические предпосылки дополнительного воздействия на вымя 32
1.2. Анализ существующих устройств для массажа вымени животного и их классификация 36
1.3. Выводы 43
2. Разработка конструкции и обоснование линейных размеров и работы устройства для массажа вымени нетелей 45
2.1. Обоснование линейных размеров и конфигурации устройства на основе анатомо - морфологических признаков выменинетелей 45
2.2. Устройство для массажа вымени нетелей 47
2.3. Воздействие массажника на вымя 52
2.3.1 Механизм деформации долей вымени под воздействием вакуума 53
2.4. Выводы 63
3. Теория устройства для массажа выменинетелей 65
3.1. Расчет конструктивных параметров устройства для массажа вымени нетелей 65
3.2. Определение зависимости величины вакуумметрического давления воздействующего на цилиндрическую оболочку от её геометрических параметров 75
3.3. Исследование параметров рабочего цикла устройства для массажа вымени нетелей 80
3.4. Выводы по теоретической части работы 87
4. Экспериментальные исследования устройства для массажа выменинетелей 88
4.1. Испытания массажного устройства в лабораторных условиях 88
4.1.1 Стенд для измерения величины вакуума 89
4.1.2 Методика измерения величины вакуума, испытания устройства на лабораторном стенде 92
4.1.3. Результаты лабораторных исследований массажного устройства 93
4.2. Методика многофакторного планирования экспериментов при поиске условий процесса массажа 96
4.2.1. Методика планирования экспериментов 96
4.2.2. Выбор параметров оптимизации 101
4.3. Результаты экспериментальных исследований 102
4.3.1 .Выбор факторов и уровней их варьирования 102
4.3.2. Отсеивающий эксперимент 103
4.4. Изучение поверхности отклика уравнение регрессии 109
4.5. Определение оптимальных условий процесса массажа 113
4.6. Производственные испытания 114
4.7. Выводы по результатам экспериментальных исследований .118
5. Обоснование экономической эффективности внедрения массажного устройства 119
6. Общие выводы 128
Список использованной литературы 131
Приложения 144
- Состояние вопроса исследования подготовки выменинетелей к отелу
- Устройство для массажа вымени нетелей
- Расчет конструктивных параметров устройства для массажа вымени нетелей
- Результаты лабораторных исследований массажного устройства
Введение к работе
Одной из проблем современного молочного скотоводства является уменьшающийся продуктивный возраст коров. Средняя продолжительность жизни животного на молочно-товарной ферме не превышает пять-шесть лет. В связи с этим, уже в первую лактацию необходимо получать от первотелок максимальный удой.
Одним из резервов роста молочной продуктивности коров является их выращивание и подготовка к машинному доению с применением передовых технологий, включающих такой технологический прием, как массаж вымени нетелей с шестого по восьмой месяцы стельности.
В настоящее время известно довольно большое количество разработок по механизации процесса подготовки нетелей. К сожалению, значительная их часть не решает задачу существенного снижения трудоемкости работы обслуживающего персонала при проведении массажа.
К сожалению, на больших МТФ, вне зависимости от форм организации технологического процесса, практически отсутствуют необходимые мероприятия по массажу вымени нетелей в процессе выращивания, а также преддоильной обработки вымени коровы. Основной причиной такого положения является низкая степень механизации указанных выше технологических процесса, а также то, что современные устройства недостаточно совершенны в техническом и конструктивном отношениях, они мало приспособлены под характерные биологические особенности животного. Следует отметить, что до настоящего времени нет единой точки зрения и достаточного обоснования, каким же образом следует осуществлять массаж вымени нетелей. Нет и четкого объяснения механизма влияния массажа на развитие вымени.
Следует также учитывать и то, что массаж вымени является, в некотором роде, принудительной операцией, т.е. животное не испыты- вает физиологической потребности в нем. Поэтому приучение нетелей к установке - трудоемкая операция и требует большого внимания.
Таким образом, при снижения общего поголовья молочного стада проблема повышения индивидуальной продуктивности за счет разработки и дальнейшего использования массажной техники, способной наиболее полно развить генетический потенциал животного, учитывая при этом физиологию процесса, является на сегодняшний день задачей актуальной.
Состояние проблемы. Развитие массажной техники в настоящее время характеризуется: интенсивным ростом технического уровня устройств для массажа вымени нетелей; появлением принципиально новых конструкций; широким использованием автоматизированных приспособлений традиционного оборудования. Вместе с тем, как показывает практика, с ростом уровня механизации и автоматизации в целом, очень низкой остается эффективность использования имеющихся средств для массажа животного при работе в условиях небольших производственных подразделений, типа фермерских хозяйств. Поэтому создание простой и дешевой массажной техники, способной наиболее полно приспособиться и развить анатомические и морфологические свойства вымени- проблема, эффективное решение которой позволит значительно повысить молочную продуктивность коров.
Цель исследования - разработать и обосновать новые технические средства для подготовки нетелей к лактации и на основе этого добиться увеличения производительности труда операторов - массажистов, а также повысить молочную продуктивность коров.
Объект исследования. Технологический процесс машинного массажа вымени нетелей и первотелок с точки зрения повышения фи-
7 зиологичности устройства и приближения способов его воздействия на вымя к приемам ручного массажа.
Задачи исследования: -выявить основные режимы массажа вымени нетелей, влияющие на эффективность подготовки животных к лактации; -выявить основные направления в создании массажных устройств; -изучить анатомо-морфологические свойства вымени нетелей, форму и законы изменения поверхности его долей под воздействием вакуума; -разработать и создать конструкцию пневмомеханического мас-сажника, отвечающую физиологии животного, рассчитать и оптимизировать его конструктивные параметры; -дать обоснование экономической эффективности предложенного устройства.
Методика исследования. В работе использованы аналитический, экспериментальный и расчетно-конструктивный методы.
Аналитический метод включал изучение технологического процесса с применением методов моделирования, классической механики и термодинамики, системы современных средств ЭВМ.
В экспериментальных исследованиях были использованы методы физического моделирования для проверки положений и выводов теории. С помощью расчетно-конструктивного метода на основе результатов математического и экспериментального моделирования были получены оптимальные значения конструктивных и технологических параметров для устройства, реализующего процесс массажа.
Результаты экспериментов обрабатывали с применением известных методов математической статистики.
8 Научная новизна работы. -совокупность теоретических и практических исследований, обосновывающих необходимость подготовки вымени нетелей к отелу; -теоретические и экспериментальные исследования, доказывающие возможность проведения процесса массажа пневмомеханическим способом; -аналитические зависимости для определения рациональных параметров пневмопривода устройства для массажа вымени; -данные исследований влияния различных режимов работы массажного устройства на последующую продуктивность нетелей; -экономическая эффективность массажного устройства.
Практическую ценность представляют: -конструкция устройства для массажа вымени нетелей; -расчет конструктивно-технологических параметров устройства; -результаты проверки основных положений работы в лабораторных и производственных условиях.
Реализация результатов исследований.
Опытные образцы массажного устройства проходили проверку и были внедрены в ряде хозяйств оренбургской области: ОПХ «Урожайное» Оренбургского района и ЗАО «Ташлинское» Ташлинского района.
Образец устройства демонстрировался на областных выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ -2001 и НТТМ -2002, региональной выставке «Наука - народному хозяйству», всероссийской выставке ВВЦ - 2002, где был отмечен дипломами и серебряной медалью.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско - преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Оренбургского ГАУ в 2000...2003 г.; на региональных науч-
9 но-практических конференциях молодых ученых и специалистов сельского хозяйства / г. Оренбург 2000...2003 г./
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, поданы 3 заявки на изобретение (получены 2 приоритетных справки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (147 наименований). Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 11 таблиц, 8 приложений на 25 страницах.
Состояние вопроса исследования подготовки выменинетелей к отелу
Молочная железа в своей деятельности выполняет три основные функции - образование молока, его накопление и выведение. Правильное содержание, кормление и массаж вымени животных в предотельныи период в значительной степени определяют будущую их молочную продуктивность III.
Известно, что молочная железа наиболее интенсивно растет и развивается во время беременности животного. Во второй половине стельности у нетелей начинается интенсивно увеличиваться число секреторных клеток /2,3/.
Кормление нетелей полноценными кормами и систематический массаж вымени усиливают развитие молочной железы и повышают продуктивность в послеотельный период.
При нормальных условиях подготовки животных к лактации формируются функциональные особенности молочной железы. Секреторная деятельность начинается незадолго до родов после особо возбуждающего импульса, который и приводит во время родов к заполнению емкостной системы молочной железы молозивом. Раздражения молочной железы возникают при сосании теленком или массаже, которые создают предпосылки для последующей усиленной деятельности.
Механизм действия физических факторов на организм представляет собой гамму сложных процессов, развивающихся в целостносном организме под влиянием пусковой энергии того или иного физического фактора путем включения отдельных функциональных систем вплоть до клеточного и субклеточного уровня. 1-соединительная ткань, 2-молочные железы, 3-артерии, 4-вены, 5-молочная цистерна, 6-сосок, 7-нервные волокна, 8-протоки, 9-сфинктер. Электричество, свет, теплота, звуковые колебания, механическая и другие виды энергии воздействуют на вымя животного через кожу, слизистые оболочки, органы чувств (достантные анализаторы), сосуды и другие ткани и органы, раздражая заложенные в них многочисленные рецепторы (рис. 1.1.). Поглощенная тканями энергия является начальным звеном формирования (образования) нервно-рефлекторного и нейрогуморального механизмов. Так, многочисленными исследователями /4, 5, 6/ установлена взаимосвязь между активностью рецепторных элементов всех систем вымени, уровнем обменных процессов в организме и тонусом системы. В механизме действия массажа на организм следует выделить три фактора: нервный, гуморальный, механический /7, 8, 9/. В первую очередь массаж оказывает воздействие на центральную и вегетативную нервную систему. На начальном этапе массажа происходит раздражение рецепторов, заложенных в коже, мышечной и железистой массе, кровеносных сосудах. Затем по чувствительным путям импульсы, вызванные этим раздражением, передаются в центральную нервную систему и достигают соответствующих участков коры больших полушарий головного мозга. Там и возникает общая сложная реакция, вызывающая функциональные сдвиги в организме. Этот механизм был подробно описан в работах русского физиолога И.П. Павлова: «Это значит, что в тот или другой рецепторный нервный прибор ударяет тот или другой агент внешнего или внутреннего мира организма. Этот удар трансформируется в нервный процесс, в явление нервного возбуждения. Возбуждение по нервным волнам, как по проводам, бежит в центральную нервную систему и оттуда, благодаря установленным связям, по другим проводам приносится к рабочему органу, трансформируясь, в свою очередь, в специфический процесс клеток этого органа. Таким образом, тот или иной агент закономерно связывается с той или другой деятельностью организма, как причина с ее следствием».
Результат воздействия массажа на вымя нетелей зависит в большей степени от того, какие процессы в данный момент преобладают в его центральной нервной системе: возбуждения или торможения, а также от продолжительности массажа, характера его приемов и от много другого. Примером нервно-рефлекторного действия массажа может быть изменение деятельности сердца, легких, кишечника и др. внутренних органов через эффекторную систему кожи (кожно-висцеральный рефлекс), мышц (моторно-висцеральный рефлекс) и другие тканей /10, 11/.
Помимо нервного фактора, в механизме действия массажа на организм большую роль играет гуморальный фактор. Действие его заключается в том, что вызывая образования тепла в тканях (результат преобразования механической энергии в тепловую), массаж действует как термический раздражитель, возбуждая тепловую рецепторную систему, которая в свою очередь, воздействуя на сосудорасширяющие нервы, вызывает рефлекторное изменение просвета сосудов, в коже образуются и поступают в кровь биологически активные вещества, относящиеся к тканевым гормонам и участвующие в сосудистых реакциях, передаче нервных импульсов и других реакциях /12, 13/. В месте непосредственного контакта исполнительных элементов массажных устройств проявляются механические воздействия на ткани в виде давления, растягивания, смещения элементарных участков, которые в свою очередь вызывают усиленные циркуляции лимфы, крови, обмена веществ и кожного дыхания в массируемом участке тела /14, 15/. При более подробном рассмотрении вымени животного можно выделить некоторые этапы.
Устройство для массажа вымени нетелей
Разработанная на основе многолетних исследований академика Всяких А.С. технология подготовки нетелей к лактации с помощью массажа предусматривает следующее: -начало массажа на 6-м месяце стельности, с постепенным приучением нетелей; - более глубокий массаж на 7-м месяце, причем массаж передних долей с большим вниманием и интенсивностью, - растягивание и разминание сосков; - легкое подталкивание вымени вверх; - снижение интенсивности массажа на 8-ом месяце стельности. Исходя из этого, мы предложили ряд устройств, повышающих эффективность массажного воздействия, на базе чего был разработан окончательный вариант конструкции, способной выполнить перечисленные требования и рекомендации технологии академика Всяких А.С. как по способам воздействия на вымя, так и по возможности изменения технологических параметров по месяцам стельности /111/ (рис. 2.1, 2.2). Устройство для пневмомассажа вымени нетелей содержит чашеобразный колокол 1 с поперечной перегородкой 2, разделяющая объем колокола на две части, которая охватывает переднюю и заднюю долю. По верхнему краю перегородки с целью более плотного прилегания крепится полая эластичная прокладка 3. В каждом из двух объемов колокола на пружинах 4 установлены платформы 5 с деформаторами 6. Соски охвачены эластичными трубками 7, поперечное сечение которых имеет форму элипса. Крепятся трубки к корпусу посредством пластин 8. Переменное вакуум подается через патрубки 9. Отсос воздуха из каждой половины колокола осуществляется через патрубки 10с выполненными в них дросселями, переменное сечение которых изменяется винтами. Каждый из патрубков при входе в камеру колокола имеет заслонку 11, закрытие которой осуществляется посредством тяги. Подача атмосферного воздуха обеспечивается клапанным устройством 12, состоящим из поршня с дроссельным отверстием, закрытое состояние которых обеспечивается пружинами. Изменение амплитуды происходит за счет винта. К колоколу присоединена гофрированная трубка 14, которая производит дополнительный массаж крестца вымени животного. Гофрированная трубка сообщается с колоколом посредством патрубков. По верхнему краю колокола крепится эластичная прокладка 13, предназначенная для более качественного соприкосновения массажника и вымени животного.
Устройство для пневмомассажа работает следующим образом. При подключении устройства к вакуумному насосу и его прижатии к вымени из каждой полости колокола через патрубок 10, сечение которого изменяется винтом, отсасывается воздух. Под действием вакуума происходит плавное растяжение тканей молочной железы, при этом вымя удлиняется и упирается в деформаторы 6, таким образом осуществляется пневмомеханический массаж вымени. Одновременно с этим через патрубки 9 подается переменный вакуум от пульсатора в эластичные трубки 7, и они производят механический массаж сосков. Причем массаж происходит имитируя воздействия руки человека - сжатие соска и его толчек вверх к основанию. При достижении в колоколе разрежения, соответствующего необходимой интенсивности вакуумного массажа вымени, срабатывает клапанный механизм 12. Поршень передвигается, преодолевая усилие пружины, и соединяет через дроссельное отверстие атмосферу и колокол. Одновременно с этим закрывается заслонка 11, механически соединенная через тягу с поршнем. Прекращается отсос воздуха и в колокол через открытые отверстия проникает атмосферный воздух, вымя при этом принимает первоначальное положение и расслабляется. Подсос воздуха в колокол продолжается до тех пор, пока не восстановится равновесие сил, действующих на поршень, после чего он закрывается и цикл повторяется вновь. В то же время происходит работа гофрированной трубки 14, которая соединена с колоколом массажника посредством патрубков.
Частота воздействия на вымя зависит от скорости отсоса воздуха из колокола по каналу патрубков 10 и устанавливается винтами. Величина вакуума, а следовательно и интенсивность массажа вымени, имеет прямую зависимость от степени сжатия пружин клапанного механизма, которая изменяется посредством винта. Интенсивность воздействия на соски зависит от толщины стенок эллипсовидных трубок 7 и величины подаваемого вакуума.
По мере проведения массажа происходит увеличение размеров вымени нетелей и первотелок, следовательно, необходимо применять массажные колоколы различных размеров, что повлечет за собой большие затраты на их изготовление. В связи с этим массажный колокол выполнен из двух половин, которые раздвигаются по полозьям.
Расчет конструктивных параметров устройства для массажа вымени нетелей
Полученная совокупность равномерно действующих по поверхности элемента внутренних нагрузок, представленная в виде графика зависимости величины действующего внутреннего давления от длины и толщины элемента (рис. 3.5), указывает на возможность получения различных значений вакуумметрических давлений, при которых будет происходить массаж сосков вымени.
Проблема оптимизаций конструкций массажных устройств в последнее время привлекает большое внимание, ей посвящено значительное число работ /1, 3, 21, 23, 24, 40/. На основе оптимального проектирования возможно значительно улучшить механические характеристики конструкций и параметры работы механизма.
Разработанная принципиальная схема требует оптимизации определенных конструктивных элементов, которые обеспечивают необходимый режим массажа. В данном случае необходимо провести теоретическое обоснование функциональной реализации конструкции. Конструктивное решение устройства для массажа вымени задает определенные законы истечения воздуха, описываемые классической термодинамикой. Для расчета и обоснования параметров устройства был рассмотрен его пневмопривод и определены основные положения и взаимосвязи движения воздуха /124/.
В процессе наполнения и последующего истечения воздуха из переменного объема колокола массажного устройства утечками воздуха можно пренебречь, так как утечки воздуха незначительны. В связи с тем, что диапазон изменения давлений имеет узкий предел, а теплообмен оказывает незначительное влияние на динамику системы, количеством теплоты, теряемой системой, так же можно пренебречь /125, 126, 127/.
До возникновения в колоколе массажного устройства вакуумметрического давления движение воздуха происходит следующим образом.
При прижатии массажника к вымени и создании вакуума начинается истечение воздуха из камеры колокола объемом VK и температурой Тк в количестве d6a в вакуумпровод с бесконечно большим объемом Vy, давлением Pv и величиной температуры Ту, давление в которой равнялось атмосферному Ра. Сжатие закончится при давлении Рсжк (точка Ь). В этот момент срабатывает клапан, обеспечивающий связь объема камеры с атмосферой.
Истечение из камеры колокола воздуха в количестве йвь в атмосферу с бесконечно большим объемом Va закончится в точке d (давление Pv, соответствующее необходимой интенсивности пневмомассажа доли вымени). При этом начнется наполнение воздухом камеры через открывшийся клапан и повышение давления до Ра (участок d-g). Далее процессы повторяются (рис. 3.6).
Для этого варианта работы массажника составим уравнение энергетического баланса рабочих полостей. Уравнение энергетического баланса полости пространства колокола массажного устройства составляется из условия, что во время работы устройства в систему вносится некоторой количество тепловой энергии dQa а с вытекающим воздухом соответственно уносится dQb.
Результаты лабораторных исследований массажного устройства
Факторы, которые были включены в программу первого этапа исследования, представлены в таблице 4.2. 1. Величина вакуумного давления в колоколе. Выбираем за нижний уровень величину вакуума 10 кПа, за верхний - 30 кПа. 2. Частота воздействий. Выбираем за нижний уровень частоту воздействия 0,8 Гц, за верхний - 1,2 Гц. 3. Величина подталкивающего воздействия. Выбираем за нижний уровень величину подталкивающего воздействия 6 Н, за верхний - 20 Н. 4. Величина вакуумного давления в гофрированной трубке. Выбираем за нижний уровень 10 кПа, за верхний - 30 кПа. 5. Продолжительность воздействия. Выбираем за нижний уровень 60 с, за верхний - 540 с. 6. Величина вакуумного давления в эллипсовидной трубке. Выбираем за нижний уровень 12 кПа, за верхний - 35 кПа. На первом этапе исследования был проведен отсеивающий эксперимент по методу случайного баланса/130, 135, 136, 137/. При проведении отсеивающего эксперимента ставилась задача предварительно оценить все действующие факторы с тем, чтобы разобраться, какие из них влияют на процесс особенно сильно, и как сказывается их взаимодействие. Значимые факторы в дальнейшем уточнялись, а те из них, которые могли быть отнесены к шумовому полю, отсеивались. Матрица отсеивающего эксперимента, составления по методу случайного баланса, представлена в таблице 4.3. Результаты опытов, средние из трехкратной повторности приведены в таблице 4.3. столбец у. По результатам эксперимента были построены исходные диаграммы рассеивания, где для каждого фактора (эффекта) нанесены все точки, подразделенные на группы, соответствующие уровням факторов в том или ином опыте. По оси ординат отложены значения параметра оптимизации, по оси абсцисс уровни факторов /138, 139/. Над диаграммами для каждого фактора в кружочках обозначено цифрами число выделившихся точек, а стрелками указаны различия между медианами. Исходные диаграммы рассеяния позволяют по наибольшему числу выделившихся точек определить влияние двух факторов и Xi. Для их количественной оценки строим таблицу с двумя входами (табл. 1 приложения). Эффект каждого фактора вычисляем по формуле (4.1). Соответствующие вычисления приведены в табл. приложения. Числовые значения эффектов составляют: Xf=\A2\ Х2=-2. Значимость вычисленных эффектов проверяем с помощью t-критерия /140, 141/. приложения. В результате расчетов для каждого фактора получаем значение t-критерия: tx\ = 1,97; fcc2=2,587. После выделения рассмотренных эффектов была проведена корректировка результатов эксперимента. Для этого ко всем значениям параметра оптимизации (табл. 4.3. столбец у), относящимся к факторам ; Х2; на верхнем уровне (+), добавляем величины соответствующих эффектов с обратным знаком: -142; +2, что соответствует исчезновению различия медиан для уровней этих факторов. В результате влияние их снимается, обеспечивая лучшие условия для выделения других факторов. Скорректированные результаты представлены в таблице 4.3., столбец yi. Для скорректированных результатов вновь построены диаграммы рассеяния (рис. 4.5). На диаграммах видно, что для выделенных факторов Х\; Хг\ различие между медианами практически исчезает. Это указывает на правильность выполненных расчетов. По диаграммам (рис. 4.5) визуально выделяем эффекты ; Х5. Количественную оценку этих эффектов проводим с помощью таблицы с двумя входами (табл. 2 приложения). Численные значения эффектов составляют: Х3 = 190; Х5 = -102. Значимость выделенных эффектов проверяем с помощью / - критерия. Результат соответствующих расчетов приведены во вспомогательной таблице 4 приложения.
