Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса машинного доения коров и обзор научной литературы 12
1.1 Основные проблемы и задачи совершенствования конструкций и режимов работы доильных аппаратов .12
1.2 Обзор существующих конструкций коллекторов доильных аппаратов отечественного и зарубежного производства .18
1.3 Анализ патентных источников разработок доильных аппаратов .24
2 Теоретическое исследование доильного аппарата с независимым вакуумом .37
2.1 Обобщение мирового опыта и перспектив практической модернизации современных конструкций доильных аппаратов 37
2.2 Анализ движения молоковоздушной смеси в доильном аппарате ..47
2.3 Исследование процессов транспортирования молока и воздуха в доильном аппарате со встроенным диафрагменным насосом
2.3.1 Анализ диафрагменных насосов для перекачивания жидкостей 52
2.3.2 Анализ сил действующих на мембрану насоса 62
2.3.3 Динамика истечения воздуха при откачке и заполнения привода диафрагмы 64
2.3.4 Динамика транспортирования молока из коллектора в молокопровод 66
3 Результаты лабораторных исследований экспериментального доильного аппарата с независимым подсосковым вакуумом 71
3.1 Программа и задачи лабораторных исследований 71
3.2 Методика экспериментальных исследований
3.2.1 Описание экспериментальной установки, используемого оборудования и его работы. Принцип действия экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом .72
3.2.2 Методика определения отсасывающей (пропускной) способности экспериментального доильного аппарата
с независимым вакуумом .82
3.3 Результаты лабораторных исследований 85
4 Оптимизация параметров экспериментального доильного аппарата на основе регрессионного анализа 93
4.1 Постановка задач и выбор параметров модели .93
4.2 Первый этап исследований - построение линейной модели цикла 94
4.3 Построение модели второго порядка 97
4.4 Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии на основе статистических анализов результатов эксперимента 99
4.5 Проверка адекватности модели .101
4.6 Уравнение регрессии экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом и серийного АДУ-1 в стандартной комплектации (лабораторные испытания) 102
5 Производственные испытания экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом 123
5.1 Программа и методика производственных испытаний 123
5.2 Результаты сравнительных производственных испытаний 1 6 Экономическая эффективность результатов исследований 135
7 Основные выводы 142
8 Литература
- Обзор существующих конструкций коллекторов доильных аппаратов отечественного и зарубежного производства
- Анализ движения молоковоздушной смеси в доильном аппарате
- Описание экспериментальной установки, используемого оборудования и его работы. Принцип действия экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом
- Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии на основе статистических анализов результатов эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы работы. В современных условиях сельскохозяйственного производства создание независимой сырьевой базы в отрасли молочного скотоводства является первоочередной задачей, особенно в направлении импортозамещения. Для интенсивного развития отрасли молочного скотоводства, в рамках Государственной программы развития АПК РФ на период до 2020 года, разработка новых типов доильного оборудования, отвечающих современным требованиям научно технического прогресса, является актуальной задачей. Технологическая и техническая модернизация доильных установок, а также создание новых типов доильных аппаратов, оказывающих щадящее воздействие на биологические объекты (животных) и получаемую молочную продукцию позволяет определить направления исследований и совершенствование сложной многоуровневой биотехнической системы. Разработка новых конструкций и режимов работы доильных аппаратов, позволяющих регулировать рабочие параметры в зависимости от индивидуальных особенностей животных возможно на основе системного подхода, методов математического моделирования, обеспечивающих оптимизацию основных технологических параметров доения животных, направленных на повышение качества функционирования системы, «доильный аппарат – животное», снижение энергоемкости процесса, подчеркивают актуальность выполнения работы.
Степень разработанности темы. В диссертационной работе, на основании теоретических и экспериментальных исследований, полученных моделей молоковыведения и транспортирования молока предложен новый способ работы доильного аппарата с независимым вакуумом, обоснованы основные параметры и режимы его функционирования. Выполненный
углубленный анализ конструкций доильных аппаратов отечественного и зарубежного производства показал наличие отклонений их качественных показателей от установленных требований по функционированию системы «доильный аппарат - животное». На основании выполненного анализа предложен новый способ стабилизации вакуумного режима доильного аппарата с использованием встроенного в коллектор диафрагменного насоса, позволяющего обеспечить независимый от высоты подъема молока вакуумный режим и исключить впуск воздуха для транспортирования молока.
Цель исследования. Обоснование и экспериментальная проверка конструктивно-режимных параметров экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумным режимом.
Задачи исследования.
-
Провести анализ выполненных разработок в данной предметной области;
-
Провести теоретические исследования процессов молоковыведения и транспортирования молока из вымени коров в молокопровод с использованием встроенного в коллектор диафрагменного насоса, приводимого от пульсатора;
-
Разработать математическую модель и обосновать параметры доильного аппарата со стабилизацией подсоскового вакуума и пониженной вакуумной нагрузкой на соски животных при разных скоростях молокоотдачи и транспортированием молока из коллектора в молокопровод без впуска воздуха;
-
Разработать методику экспериментальных исследований и оптимизации параметров экспериментального доильного аппарата на основе теории подобия и анализа размерностей в сочетании с методами планирования эксперимента;
-
Провести лабораторные и производственные испытания доильного аппарата с экспериментальным коллектором со встроенным диафрагменным насосом;
-
Дать технико-экономическую оценку результатов исследований.
Объект исследования. Процесс машинного доения коров с экспериментальным доильным аппаратом с независимым вакуумом.
Предмет исследования. Процесс выведения и транспортирования молока из вымени коров в молокопровод.
Методы исследования. Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, программирования с применением средств микропроцессорной и компьютерной техники.
Научная новизна заключается в разработке математической модели, позволяющей определить параметры доильного аппарата, обеспечивающего стабильный вакуумный режим и снижение вакуумной нагрузки на соски при доении коров с разной скоростью молокоотдачи; исключить ударное воздействие сосковой резины на сфинктер соска и обратные токи молока из коллектора к соскам вымени, обеспечить осторожное транспортирование молока из коллектора в молокопровод без впуска воздуха;
в получении аналитических выражений, устанавливающих зависимости параметров и режимов работы коллектора доильного аппарата со встроенным диафрагменным насосом, приводимым от пульсатора, на динамику молокоотдачи при машинном доении коров;
в предложенной методике оптимизации процессов молоковыведения и транспортирования молока в молокопровод на основе теории подобия и анализа размерностей в сочетании с методами планирования эксперимента.
Новизна предложенных технических решений подтверждена тремя патентами РФ на полезную модель.
Реализация результатов исследования.
Новый доильный аппарат с независимым вакуумом используется в учебном процессе на кафедре «МЭЖ» ФГБОУ ВПО Тверская ГСХА при подготовке студентов инженерного и биотехнологического факультетов, предложен для освоения организациям, занимающимся созданием доильной техники нового поколения. Изготовленный опытный образец доильного аппарата с независимым вакуумом применяется в доильной установке АДМ-200, разработанной на кафедре автоматизации и механизации животноводства РГАУ-МСХА им. Тимирязева, в ФГУП «Учхоз Сахарово» при доении в молокопровод. Результаты теоретических и лабораторно- производственных исследований могут послужить основой при разработке конструкторской документации и внедрении в производство нового доильного аппарата с независимым вакуумом.
Практическая ценность исследований. Конструкция коллектора доильного экспериментального аппарата с диафрагменным насосом, защищена тремя патентами на полезную модель (Патенты №118839, 109956, 107451);
- результаты экспериментальных исследований, полученные при изучении процесса выведения молока из вымени коров при машинном доении, являются основой при разработке новых и совершенствовании существующих конструкций доильных аппаратов, обеспечивающих повышение эффективности доения коров и снижение затрат ручного труда.
Основные положения, выносимые на защиту:
- аналитические зависимости режимов доения и транспортирования молока в молокопровод без впуска воздуха в коллектор, оснащенный диафрагменным насосом, обеспечивающим стабилизацию подсоскового
вакуумного режима при доении во всем диапазоне скоростей молокоотдачи от 0,5 до 6 л/мин;
уравнения регрессии пропускной способности, оптимальных параметров и режимов работы экспериментального доильного аппарата с независимым подсосковым вакуумом;
результаты теоретических, экспериментальных и технико-экономических исследований доильного аппарата с независимым подсосковым вакуумом.
Апробация работы. Основные положения исследований доложены на международных научно-практических конференциях: «Развитие науки и образования в современном мире» 31марта 2015г. г. Москва в секции технические науки. Тема доклада « Определение оптимальных условий применения доильного аппарата с независимым вакуумом на основе математической модели и его технологического цикла»; на ХХХХVI-й международной научно-практической конференции «Наука и современность -2015» 10 апреля 2015 г. Новосибирск в секции технические науки. Тема доклада «Линейная математическая модель технологического цикла доильного аппарата с независимым вакуумом».
Результаты исследований по теме работы так же были представлены на международной специализированной выставке животноводства и племенного дела Agro Farm 5-7 февраля 2013 года г. Москва (получен диплом); на ХV-й Российская агропромышленная выставка «Золотая осень» 9-12 октября 2013 года г. Москва, награжден дипломом и серебряной медалью доильный аппарат с независимым вакуумом. На 10-ой специализированной выставке «Изобретатель и рационализатор - 2013» 23-24 октября 2013 года г. Тверь (награжден дипломом). На международной специализированной выставке животноводства и племенного дела Agro Farm 4-7 февраля 2014 года г. Москва (награжден диплом и кубком «Лучшая научная разработка Agro Farm 2014»). На ХVI-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» 8-11 октября 2014 года г. Москва, награжден дипломом и бронзовой медалью доильный аппарат с независимым вакуумом.
Публикации результатов исследования. Материалы диссертации изложены в 7 печатных работах, в рецензируемых журналах, в том числе в четырех, рекомендованных ВАК, в 3 патентах на полезную модель №107451, №109956, №118839.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы из 233 наименований, 22 приложений. Основное содержание работы изложено на 159 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок, 14 таблиц.
Автор считает своим долгом выразить благодарность и признательность за методическую помощь и консультации при подготовке диссертации к.т.н. доценту Тверской ГСХА Щукину Сергею Ивановичу
Обзор существующих конструкций коллекторов доильных аппаратов отечественного и зарубежного производства
Широко известен доильный аппарат «Дуовак 300» фирмы De-Laval (Швеция), использующий пониженный уровень вакуума 33 кПа при снижении скорости молокоотдачи до 200 мл/мин. Таким образом, начальная и конечная стадии процесса доения выполняются при пониженном вакууме, что обеспечивает щадящее воздействие на молочную железу метрическогоского давления. Практическое использование этих аппаратов показало в целом хорошую полноту выдаивания, однако отдельные тугодойные животные имеют низкую скорость молоковыведения, что затрудняет переключение блока управления на номинальный уровень вакуума 50 кПа, а это в свою очередь приводит к неполному выдаиванию животных. По мнению сотрудников фирмы приучать животных к данному аппарату надо уже с первой лактации, что позволит достичь хороших результатов. Анисько П.Е., рекомендует применять доильный аппарат с регулируемыми параметрами в зависимости от скорости молоковыведения, как наиболее полно отвечающий физиологическим особенностям животных [64], а Гордиевских М.А. считает, что задержка отключения доильного аппарата может вызвать заболевание животных маститом, а решить эту проблему целесообразно за счет уменьшения величины вакуума в конце доения до безопасной величины [88]. Огородниковым П.И. предложена классификация регуляторов вакуума для доильных аппаратов с целью их дальнейшего совершенствования [152]. В работах Т.К. Городецкой [91] доказано, что величина тонуса сфинктера сосков коров между дойками составляет около 40 кПа, уменьшаясь при доении в 3-4 раза. По данным В.Ф. Королева [122] для доения большинства животных может использоваться вакуум 33…40 кПа, при этом минимальный вакуум для тугодойных коров составляет 26... 33 кПа, а для слабо дойных 6... 10 кПа.
Для управления вакуумным режимом в зависимости от скорости молоковыведения некоторые ученые предлагают использовать различные датчики потока молока и пневмомеханические исполнительные механизмы [64,94,97]. В конструкциях доильных установок фирм De-Laval (Швеция), ГЕА ФАРМ ТЕХНОЛОДЖИЗ (Германия) и других применяются электронные потокомеры с датчиками электродного или инфракрасного типа, передающие данные о интенсивности молочного потока и индивидуальных надоях молока. Некоторые конструкторы и ученые предлагают изменять частоту пульсаций и соотношение тактов пульсатора в зависимости от интенсивности молоковыведения. Так С.Я. Горм разработал доильный аппарат с изменяемым соотношением тактов, в начале и конце процесса доения 30:70, а в основной фазе молокоотдачи - 70:30 [88]. Доильный аппарат фирмы ГЕА ФАРМ ТЕХНОЛОДЖИЗ снабжен системой "Стимопульс", которая устанавливает частоту пульсаций в начале фазе доения (300 пульсов/мин ), затем 60 пульсов /мин в фазе основного доения, что позволяет обеспечить эффективную стимуляцию рефлекса молокоотдачи. В конце доения производится остановка пульсатора в такте сжатия, при этом сосковая резина сжимается, облегая сосок и защищая его от действия высокого вакуума. Некоторые исследователи отдают предпочтение регулированию подсоскового вакуума, так как, по их мнению это обеспечит более безопасный режим доения и уменьшит величину наползания доильных стаканов, что, в свою очередь позволит снизить или полностью исключить необходимость проведения машинного додаивания животных. Необходимо отметить, что в большинстве конструкций современных типов доильных аппаратов применяют пульсаторы попарного действия с электрическим или гидропневматическим приводом, что обеспечивает более ровный поток молока и улучшает режим его эвакуации из доильного аппарата в молокопровод, а также используют коллекторы увеличенного объема от 250 до 600 мл. Для сравнения, величина объема молокосборной камеры коллектора в доильном аппарате АДУ-1 составляет всего 86 мл. Это обстоятельство затрудняет доение высокопродуктивных коров с высокой скорость молокоотдачи, не обеспечивая при этом сохранение стабильного вакуумного режима. Значительной проблемой, по мнению А.И. Зеленцова [103], является неравномерность распределения веса доильных стаканов между отдельными четвертями вымени животных. Проведенные испытания доильного аппарата АДУ-1 и манипулятора МД-Ф-1 показали наличие значительных усилий на передних сосках вымени, которые существенно превышают аналогичные параметры на задних сосках вымени, особенно это происходит при большем угле наклона дна вымени, что приводит, по видимому к более быстрому выдаиванию передних долей по сравнению с задними, поскольку в задних долях молока, как правило, накапливается всегда больше, чем в передних. Таким образом, направление исследований доильных аппаратов должно происходить как в направлении создании управляемого вакуумного режима в зависимости от скорости молоковыведения, так и в совершенствовании конструкции подвесной части, более полно отвечающей физиологическим особенностям строения вымени отдельных животных, обеспечивая адекватные физиологии животных режимы доения. Исследуя вакуумный режим в доильном аппарате АДУ-1 В.В. Кирсанов [118] отмечает его несоответствие скорости молокоотдачи. Так при пиковых интенсивностях молоковыведения 5-6 л/мин вакуум в коллекторе снижается до 20 кПа и более, и, наоборот, при снижении потока молока возрастает до максимальной величины при "сухом" доении, что противоречит физиологии животных, так как требуется ровно наоборот: уменьшать вакуум при снижении интенсивности молочного потока и увеличивать при соответствующем его увеличении, чтобы иметь под соском вакуум 36-40 кПа в соответствии с международным стандартом ИСО 5707 «Установки доильные для коров. Конструкция и техническая характеристика»
По видимому, пропорциональное снижение вакуумметрического давления под соском обеспечит снижение интенсивности наползания доильных стаканов на соски вымени и позволит сократить продолжительность машинного додаивания. Это обстоятельство связано с уменьшением упругости сосков в конце доения, которые глубже втягиваются в доильные стаканы при более высоком вакууме, чем при пониженном его значении. Анализируя взаимодействие доильных стаканов с сосками вымени коров большинство исследователей отмечают данную проблему в качестве основной, от которой зависит эффективность машинного доения.
Стабилизация вакуумного режима может быть обеспечена модификацией коллектора, имеющего увеличенный объем и оптимизацией конструкции отводящего патрубка. Эта проблема весьма актуальна для доильных аппаратов со сбором молока в верхний молокопровод. Различные способы стабилизации вакуума при доении рассмотрены в работах [93,102,106,123,137,204,220], среди них:
Анализ движения молоковоздушной смеси в доильном аппарате
Расчет процессов откачки и заполнения воздуха подмембранной камеры и межстенных камер доильных стаканов следует вести по уравнениям, предложенным В.Ф. Королевым [122] при расчете пульсаторов, поскольку мембрана пульсатора сходна по выполняемым функция с мембраной диафрагменного насоса. При этом полагаем, что откачка воздуха из глухой камеры мембранного насоса 2 коллектора (рисунок 2.1) и межстенных камер доильных стаканов осуществляется одновременно.
Скорость изменения вакуума в камере 2 (рис.2.1) имеет нелинейный характер[ 122]. При откачивании воздуха из закрытой камеры 2 скорость удаления воздуха из нее будет замедляться по мере увеличения в ней вакуума пропорционально остаточной разности давлений. Обозначим величину пульсирующего вакуума при откачивании р; время, прошедшее от начала процесса истечения воздуха - t, номинальное значение вакуумметрического давления - h. Скорость изменения вакуума будет определяться первой производной давления по времени dр/dt. Данная функция изменяется пропорционально разности давлений h-р,. Коэффициент пропорциональности обозначим Кь тогда dp/dt=K1(h-p) dt=(l/Kl)(dp/(h-p)) (2.49) Соответствующими пределами интегрирования являются максимальный вакуум в камере 2 - h1 и минимальный вакуум - h2. Полагая функцию изменения вакуума непрерывной и дифференцируемой на данном отрезке в результате интегрирования продолжительность откачки воздуха из камеры 2, в соответствии с первым тактом работы насоса будет определяться по выражению: t1 = =(1/k1)ln((h-h2)/(h-h1)) (2.50)
Значение коэффициента 1/к1, определяется величиной объема закрытой камеры 2 и параметрами трубки, через которую откачивается воздух. Обратный впуск воздуха в герметичную емкость, находящуюся под вакуумом, происходит аналогично, по тому же закону, поскольку скорость изменения вакуума сохраняет свою пропорциональность относительно разности давлений. Знак минуса здесь означает, что процесс заполнения идет в обратном направлении по сравнению с процессом откачивания. Из последнего уравнения получаем dt = (-1/k2) (dp/p) (2.51) Интегрируя это выражение в пределах от h1 до h2, получим t2 = - к 1/k2-ln(h1/h2) (2.52) Величина коэффициента 1/к2 определяет аналогичные параметры, что и величина коэффициента 1/ к1 Физическая интерпретация коэффициентов 1/к1, и 1/к2 изложена в книге В. Ф. Королева [113], где приводятся соответствующие формулы, выведенные для расчета параметров откачки воздуха из закрытых камер
В соответствии с принятыми нами обозначениями формулы примут вид tj = (V/(76-h)Kp)ln[((152-h-h1)(h-h2))/(152-h-h2)(h-hj)J (2.53) t2 =(V/(76-h)Kp)ln[((152-h2)h1))/(152-hl)h2)] (2.54) Анализ данных формул позволяет отметить, что коэффициенты 1/щ и 1/к2, включают в себя отношение V/KP, где V — объем глухой подмембранной камеры, а кр — коэффициент Пуазейля, который, в свою очередь, равен Kp=KD4/mn\ (2.55) где: D — диаметр трубки; / — длина трубки; ц — коэффициент вязкости. 2.3.4 Динамика транспортирования молока из коллектора в молокопровод
При такте сжатия на вход мембраны от пульсатора поступает атмосферное давление и мембрана поднимается вверх выталкивая молоко по шлангу в молокопровод. Уравнение Бернулли для сечений на свободной поверхности молока в коллекторе (1-1) и в молокопроводе (2-2) будет выглядеть следующим образом: Z1+p1/y+a1V12/2g=Z2+ p2/y+a2V22/2g+hco (2.56) где: Zlt Z2 - соответственно высота расположения коллектора и молокопровода, м; Pi, Р2 - гидравлическое давление в коллекторе и молокопроводе, кПа; а.1, а2 - корректировочное количество движения а! а2 1 Vi, V2 – скорости молока на выходе из коллектора и входе в молокопровод, м/с h - сумма всех потерь по длине шланга и местных сопротивлений, м. hco = fo6p.mV2/2g+fome.nampy&V (2.57) где: обр.кл.; fame;. патруб; вх.моп. – соответственно местные сопротивления обратного нагнетательного клапана, отводящего патрубка коллектора и входа в молокопровод. Учитывая вышеизложенное потребный напор насоса определяется из выражения: Ннас. = Z2 -Zi + hco (2.58) или учтем выражение 2.3 HHac = Z2 -Z1 +V2/2g (fo6p.lol + отв.патруб. вхмол (2.59) шл
Максимальный переход давлений между коллектором и молокопроводом будет при столбовом движении молока, когда весь шланг от коллектора до молокопровода заполняется молоком, при этом основной перепад давлений определяется разницей (Z2 Z} . 1,5 1,7 м). При этом величина вакуума в коллекторе также снизится на максимальную величину. Управляя соотношением тактов можно избежать поступления в молочный шланг молочных и воздушных пробок и снизить коэффициент заполнения шланга молоком, при этом объем перемещаемого мембраной воздуха, должен быть больше объема транспортируемого за один цикл жидкости.
Описание экспериментальной установки, используемого оборудования и его работы. Принцип действия экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом
Уравнение (4.1) интерпретируется как математическое описание некоторой геометрической поверхности отклика Y в -мерном пространстве (к - число управляющих факторов). Знание математической модели объекта исследований позволяет изучать поверхность отклика в области оптимума с помощью двухмерных сечений этой поверхности и дает возможность наглядно представить характер изменения величины критерия оптимизации при варьировании значений управляющих факторов.
При выборе интервалов варьирования основных параметров учитывается число уровней варьирования, которые определяют объем эксперимента и эффективность оптимизации. В общем случае число опытов (различных состояний объекта исследования) вычисляется по формуле: N= pk (4.2) где N- число опытов, р - число уровней, к- количество входных управляющих факторов. В области определения основных факторов особое внимание уделяется выбору нулевой точки (уровня), которая соответствует исходному состоянию объекта исследований. Оптимизация связана с поиском максимального изменения выходного параметра Y по сравнению с нулевой точкой многомерного пространства. Если область исследуемого факторного пространства локализована, то нулевой точкой выбирается центр этой области.
На первой стадии исследования, как правило, рассматривается линейная модель [61,187], так как основная цель - нахождение интерполяционного уравнения регрессии, которое позволяет предсказывать значения критерия оптимизации в различных точках изучаемого факторного пространства: Y o+Tb.X+Tkx.X; С4-3)
Построение линейной модели связано с проведением полного факторного эксперимента (ПФЭ), где реализуются все возможные комбинации рассматриваемых уровней факторов, а результаты оцениваются с помощью статистического анализа. Фактор обычно варьируют на двух уровнях (ПФЭ типа 2 ), при этом выбор значения параметра на нулевом уровне с0 и интервала варьирования А позволяют перейти к безразмерному (кодированному) значению всех основных параметров: хІ = (СІ–СО)/ (4.4) где Cf -текущее значение параметра, а принимает значения +1 и -1. Расположение экспериментальных точек для модели доильного аппарата (ПФЭ при к=2) задается координатами вершин квадрата в двухмерном пространстве (рис.4.2а) и выделено в матрице Таблицы - 4.1 Х Х2
По результатам ПФЭ определяются значения коэффициентов линейного уравнения регрессии: свободного b0, характеризующих линейные эффекты b1, b2 и эффект взаимодействия факторов b12: 7=60+61 1+62 2+612 1 (4.5) По величине и знаку коэффициентов можно судить о степени влияния отдельных факторов на значение критерия оптимизации. Линейные коэффициенты рассчитывались по формуле: и=1 " i=1 и=1 (4.6) где: Хiu - значение фактора в отдельном опыте, yu- значение параметра оптимизации в том же опыте, N- число опытов в матрице. Свободный член определялся как среднее арифметическое всех значений выходного фактора в матрице: N N (4.7) и=1 Ї=1 и=1 Коэффициенты регрессии, характеризующие парное взаимодействие основных параметров, находятся по формуле:
Для удобства расчетов в матрице планирования (Таблица-4.1) указаны величины смешанного взаимодействия Х1Х2. Если коэффициенты линейного уравнения регрессии, характеризующие эффект взаимодействия значимы, то рассматриваемая линейная модель не адекватна, поэтому экспериментальные исследования необходимо продолжать с целью получения модели второго порядка. [176]
Главное требование к планированию такого эксперимента – ротатабельность, то есть инвариантность плана при вращении системы координат факторного пространства относительно центра. При описании поверхности отклика (выходного фактора) уравнением второго порядка переходят к планированию, которое связано с варьированием управляющих факторов на разных уровнях и является рациональным с учетом общепринятых критериев оптимальности планов. Наиболее распространенными являются ротатабельные планы второго порядка Бокса. [61,176] В них к полному факторному эксперименту (или его регулярной дробной реплике), который используют в качестве «ядра», добавляют определенное количество «звездных» (с плечом и нулевых точек.
Если выбрать план второго порядка Бокса ( к=2) с варьируемыми на пяти уровнях параметрами Х\ - высота подъема молока, JG– давление вакуума в молокопроводе (рис.4.2б), то общее количество опытов (точек факторного пространства) в эксперименте определялось из соотношения N=2k+2k+no=nя+n+no=4+4+5=13. Однако, матрица планирования такого плана (Таблица- 4.1) включает «звездную» точку со значением Xj= -1,414. В экспериментальной главе представлены интервалы варьирования управляющих факторов для серийного и опытного образца: высота подъема молока от 0 до 120 см (с0=60см) , давление вакуума в молокопроводе от 40 до 54 кПа (с0=47 кПа). Величина Хі=-1 соответствует высоте подъема молока на h=0, следовательно значением Xi= -1,414 теряет физический смысл, и необходимо существенно изменить начальные условия всего эксперимента. Выходом из создавшейся ситуации может быть переход к более доступному ортогональному планированию второго порядка[176] Y= bo + Ьгхг + b2x2+ bl2xix2+ bnxi2+ b22x2 . (4.9) В этом случае преобразуют переменные и специальным образом выделяют координаты «звездных» точек. Ортогональность (равенство нулю сумм смешанных произведений в уравнении регрессии второго порядка) достигается, если ввести новые переменные (при к=2)
Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии на основе статистических анализов результатов эксперимента
Для проведения опыта были подобраны две группы коров-аналогов: опытная и контрольная. Доение животных двукратное. Эксперименты проводились по схеме, представленной в таблице 5.1. Учет разового надоя молока в контрольной и опытной группах проводили на протяжении всего опыта. Процент жирности молока определяли методом Гербера (сернокислотный) по ГОСТу 5867-95. Пробы молока для анализа брали в начале и конце подготовительного и заключительного периодов и через каждые 5 дней в основном периоде устройством зоотехнического учета молока УЗМ-1А [165].
Массовую долю белков в молоке определяли методом формального титрования, а содержание казеина в молоке по методу Маттиопуло.
Плотность молока, содержание сухого молочного остатка в молоке и содержание сухого обезжиренного остатка в молоке определили расчетным методом [165].
Группа Количест Периоды Условия коров-аналогов вокоровв группе Подготовки тельный (5 дней) Основной (15 дней) Заключительный(5 дней) содержания и доения Опытная 3 Серийная доильная установка АДМ-200 в которую входит экспериментальный доильный аппарат с независимым вакуумом Содержание привязное Доение в ведра Контрольная 3 Серийная доильная установка АДМ-200 в серийной комплектации 123 Подготовка вымени к доению, подготовка рабочего места дояра, надевание доильных стаканов на соски вымени и другие операции машинного доения проводились согласно правил машинного доения коров. [68,70].
Для определения интенсивности молокоотдачи доение производилось в молокопровод. В конце молокопровода было установлено ведро с электронными весами. Время поминутного выделения молока определялось механическим секундомером «Agat». В качестве опытно-производственной установки использовались по 3 стойла в двух рядах, с применением серийной доильной установки АДМ-200 с доильным аппаратом в стандартной комплектации рисунок 5.1. В качестве сравнения использовалась доильная установка АДМ-200 в которую входили доильные аппараты с независимым вакуумом с доением в молокопровод рисунок 5.2.
Доение коров контрольной группы на серийной доильной установке АДМ-200 с доильным аппаратом стандартной комплектации
Запись осциллограмм производилась с помощью прибора «Пульсотест» Германия рисунок (5.3).
Производственные испытания доильных аппаратов проводились с декабря 2012 по июль 2013 года на молочной ферме учхоза «Сахарово» Тверской государственной сельскохозяйственной академии. Группы коров-аналогов имели живую массу 550 кг, находились в 1-2 периодах лактации с годовым удоем 4425-4676 литров за предыдущую лактацию. Основные результаты производственных испытаний приведены в таблицах [52,53]
Продолжите льностьмашинного доения, с Интенсивност ьмолоковывед ения, г/с ручной додой, мл Продолжите льностьмашинного доения, с Продолжител ьностьмолоковывед ения, г/с ручной додой, мл
Как видно из таблицы 5.3 при доении коров экспериментальным доильным аппаратом с независимым вакуумом, удой за период опыта повысился по группе на 2,6 кг в сравнении с подготовительным периодом или на 4%, в контрольной группе за этот же период удой повысился на 1,4 кг (2%), разница между группами составила 1,2 кг.
Перед началом машинного доения сдаивали первые струйки молока, которые проверяли димастиновой пробой. В подготовительный период больных коров не выявили. При исследовании молока, полученного от коров контрольной группы в основной период, констатировали наличие положительно реагирующих коров на димастиновую пробу.
В последствии этот тест был подтвержден пробой отстаивания у 1-й коровы. У нее была выявлена субклиническая форма мастита. В опытной же группе воспалительных процессов вымени скрытой формы мастита не обнаружили. По результатам производственных испытаний был построен график интенсивности молоковыведения (рис.5.4) для экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом и серийного доильного аппарата. Из графика видно, что интенсивность молокоотдачи экспериментального доильного аппарата с независимым вакуумом выше, а время доения ниже, чем у серийного доильного аппарата
В таблице 5.4 приведены результаты исследований состава и качества молока коров. В молоке коров опытной группы в основной период содержалось больше жира, чем у животных в подготовительный период на 5,1%. За период опыта у коров контрольной группы содержание молочного жира увеличилось только на 2,4% значит, в молоке коров опытной группы содержание жира было выше на 2,7% больше чем в молоке коров контрольной группы.
В молоке коров опытной группы в основной период массовая доля белка увеличилась на 3,6%. За период опыта в молоке коров контрольной группы наблюдали увеличение уровня общего белка на 0,7%. Анализируя данные по содержанию общего белка в молоке коров можно сказать, что в молоке коров опытной группы содержание белка увеличилось на 2,8%, Анализируя данные таблицы 5.4 видно, что содержание казеина в молоке опытных животных в основной период повысилось на 6,0% по сравнению с подготовительным периодом. В контрольной группе содержание казеина в молоке коров за период опыта несколько снизилось 4,9% по сравнению с подготовительным периодом.